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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreiselgerät, bei dem in einem
als Außenkreisel ausgebildeten rotierenden Gehäuse ein mittels einer Gasschicht
elastisch gelagerter und gekoppelter Innenkreisel als Sensor vorgesehen ist.
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Bei einem bekannten Kreiselgerät der vorstehend genannten Art ist
der Innenkreisel als Kugel ausgebildet und über seine Kugelaußenfläche im Außenkreisel
gelagert. Bei einer derartigen Ausführung ist der Innenkreisel gegenüber äußeren
Störeinflüssen verhältnismäßig empfindlich.
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Es ist weiterhin bereits ein Kreiselgerät vorgeschlagen worden, bei
dem der in einer umlaufenden Hülle angeordnete Kreiselläufer auf einer sphärischen
Fläche gelagert ist. Die Lagerluft wird hierbei durch eine einzige zentrale Bohrung
der sphärischen Fläche zugeführt. Wird der Kreiselläufer im Betrieb aus seiner lotrechten
Lage ausgelenkt, so nimmt er eine unsymmetrische Lage gegenüber der Gaszuführstelle
zum Lagerspalt ein, was zu unerwünschten Störmomenten führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung
dieser Mängel ein Kreiselgerät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß selbst
bei Abweichungen der Rotationsachsen von Außen-und Innenkreisel eine unsymmetrische
Gasströmung und ein dadurch bedingtes Störmoment auf den Innenkreisel vermieden
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenkreisel
auf einer von ihm zumindest teilweise umschlossenen, am Außenkreisel abgestützten
sphärischen Fläche läuft, in der die Mündungen von Gaszuführkanälen in Form eines
Pentagon-Dodekaeders und die Mündungen von Gasabführkanälen im Symmetriezentrum
der einzelnen Fünfecke angeordnet sind.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht.
Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kreiselgerätes, Fig. 2. eine vergrößerte Teildarstellung aus Fig. 1, F i g. 3 einen
Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, F i g. 4 eine vergrößerte
Teildarstellung aus F i g. 3.
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Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Kreiselgerät enthält in einem
Gehäuse 1 einen durch Lager 4 drehbar aufgehängten Kardanring 5, mit dem ein Rotortragrahmen
6 drehbar verbunden ist. Die Drehachse des Kardanringes 5 ist mit 7 und die des
Rotortragrahmens 6 mit 8 bezeichnet.
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In dem Rotortragrahmen 6 ist ein Außenkreisel 9 drehbar gelagert.
Zu diesem Zweck trägt der Rotortragrahmen 6 zwei Lagerkörper 10, die zusammen mit
entsprechenden Lagerkörpern 11 des Außenkreisels 9 je einen kegelförmigen Lagerspalt
12 begrenzen, der ein aerodynamisches Gaslager bildet.
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Mit dem Rotortragrahmen 6 ist ein den Außenkreisel 9 umschließender
ringförmiger Rahmen 13 fest verbunden. Rahmen 13 und Außenkreisel 9 tragen elektromotorische
Wicklungen 14, über die der Antrieb des Außenkreisels 9 erfolgt.
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Zur Horizontierung des Rotortragrahmens 6 und der Kreiselachse 15
ist ein aus den Wicklungen 16 bestehender Nachstellmotor vorgesehen, dessen äußere
Wicklung mit dem Gehäuse 1 und dessen innere Wicklung mit dem Kardanring 5 verbunden
ist. Ein Drehmoment auf den Kardanring 5 um die
Achse 7 hat in bekannter Weise eine
Drehung der Kreiselachse 15 um die Achse 8 zur Folge.
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Der Außenkreisel 9 ist mit einer ringförmigen Ausnehmung 20 versehen,
die zur Aufnahme eines Innenkreisels 21 dient. Auf der zentralen Achse 22 des Außenkreisels
9 sitzt ein kugelschalenförmiger Lagerkörper 23, mit dem der Innenkreisel 21, der
eine hohlkugelschalenförmige Innenfläche aufweist, über einen gasdurchströmten Lagerspalt
24 gekoppelt ist.
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Die zentrale Achse 22 des Außenkreisels 9 ist mit einer axial verlaufenden
Zuleitung 33 sowie einer gleichfalls axial verlaufenden Ableitung 34 versehen, die
in radiale Kanäle 32 einmündet. Der Lagerkörper 23 weist in Achsnähe Abflachungen
35 auf und ist mit einer Anzahl von Zuführkanälen 36 und Abführkanälen 37 versehen.
Die Zuführkanäle 36 münden über düsenartig ausgebildete Steine 38 in den Lagerspalt
24. Die Anordnung und Verteilung der Kanäle 36 und 37 wird im Zusammenhang mit F
i g. 4 im einzelnen erläutert.
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Die zur Aufnahme des Innenkreisels 21 dienende ringförmige Ausnehmung
20 des Außenkreisels 9 wird durch eine Dichtungsscheibe 39 gasdicht nach außen abgeschlossen.
Der mit dem Rotortragrahmen 6 verbundene Rahmen 13 ist auf beiden Seiten durch je
eine Platte 40 bzw. 41 abgedeckt.
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Eine in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Rohrleitung 42 führt
vom äußeren Bereich der durch die Platten 40, 41 und den Rahmen 13 gebildeten Kammer
(etwa gegenüber der Austrittsöffnung der Kanäle 32) eventuell über einen Nachverdichter
zur Eintrittsöffnung der Gaszuleitung 33.
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Die Gasströmung verläuft bei dem Kreiselgerät gemäß den F i g. 1
und 2 folgendermaßen: Das durch die als Pumpe wirkenden Kanäle32 radial nach außen
geförderte Gas strömt - eventuell über einen Nachverdichter - durch die Rohrleitung
42 der axial verlaufenden Zuleitung 33 zu und gelangt über die Zuführkanäle 36 in
den Lagerspalt 24, verläßt dann diesen Lagerspalt über die Abführkanäle 37 und gelangt
über die Ableitung 34 wieder in die Kanäle 32 (vgl. F i g. 2). Die Mündungsöffnungen
der Zuführkanäle 36 bilden - wie an Hand von F i g. 4 noch im einzelnen erläutert
wird - die Ecken eines Pentagon-Dodekaeders, wobei jeweils im Symmetriezentrum der
einzelnen Fünfecke die Mündungen der Gasabführkanäle 37 liegen. Im Lagerspalt 24
bildet sich ein aerostatisches Gaslager aus.
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Das Kreiselgerät der F i g. 1 und 2 kann als freier (raumfester)
oder als nordsuchender Kreisel benutzt werden.
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Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel,
das beispielsweise als freier (raumfester) Kreisel oder als westsuchender Kreiselkompaß
Verwendung finden kann.
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Das Gehäuse 43 ist um die Achse 44 drehbar in einem Ring 45 gelagert,
der seinerseits um die Achse 46 drehbar in einem äußeren Ring 47 gelagert ist.
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In dem Gehäuse 43 ist über Lager 48 der Außenkreisel 9 gelagert,
der auf einer Achse 49 befestigt ist.
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Diese Achse 49 trägt einen zentralen kugelförmigen Lagerkörper 23,
auf dem über einem Lagerspalt 24 der ringförmige Innenkreisel 21 gelagert ist. Das
Zentrum des Lagerkörpers 23 fällt mit dem Schnittpunkt der Achsen 44 und 46 zusammen.
Der Innenkreisel 21 trägt bei diesem Ausführungsbeispiel an seiner Oberseite einen
Spiegel 50, auf den ein durch
eine abdichtende Glasscheibe 51 geworfener
Lichtstrahl fällt. Die Reflexion dieses Lichtstrahles oder das Signal eines anderen,
beispielsweise kapazitiven oder induktiven Meßwertgebers zeigt die Abweichung der
Rotationsachse des Innenkreisels 21 von der Rotationsachse 52 des Außenkreisels
9 an. Das so gewonnene Signal wird auf der Achse 44 angeordneten Nachstellmotoren
53 oder auf der Achse 46 vorgesehenen (nicht veranschaulichten) Nachstellmotoren
zugeführt, die den Außenkreisel 9 wieder auf die Rotationsachse des Innenkreisels
21 zurückführen. Der Antrieb des Außenkreisels 9 erfolgt über einen Stator 54 und
einen auf der Achse 49 sitzenden Rotor 55. Zur Übertragung der Lage des Außenkreisels
9 dient ein Signalgeber 60 auf der Achse 44 und ein weiterer Signalgeber auf der
Achse 46.
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Eine andere Funktion des Kreiselgerätes gemäß F i g. 3 wird dann
erreicht, wenn ein Erdlotfühler 17 die Nachstellmotoren auf den Achsen 44 und 46
aussteuert. Der Außenkreisel 9 wirkt dann als Kreiselhorizont und stabilisiert das
Gehäuse 43. Infolge der Erddrehung tritt ein Winkel zwischen der Achse des Außenkreisels
9 und der Rotationsachse des Innenkreisels 21 auf, indem der Innenkreisel 21 der
dem Außenkreisel 9 durch die Erddrehung aufgezwungenen Drehung um die Nord-Südachse
nur verzögert folgt. Der Innenkreisel 21 ist daher gegenüber dem Gehäuse 43 nach
Westen geneigt und zeigt damit ein westsuchendes Kreiselkompaßverhalten.
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Der Außenkreisel 9 ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i
g. 3 mit radial verlaufenden Kanälen 32 versehen, die als Pumpe wirken. In der zentralen
Achse 49 befindet sich ferner eine axiale Zuleitung 56.
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Die Verbindung der radial verlaufenden Kanäle 32 sowie der Zuleitung
56 mit den im Lagerkörper 23 vorgesehenen Kanälen sowie deren Anordnung zeigt im
einzelnen die ganz schematisch gehaltene F i g. 4.
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Der kugelförmige Lagerkörper 23 ist mit insgesamt zwanzig vom Zentrum
aus sternförmig in radialer Richtung nach außen verlaufenden Kanälen 57 versehen,
die in der Zeichnung gestrichelt dargestellt sind. Die Mündungen dieser Zuführkanäle
57 bilden die Ecken eines Pentagon-Dodekaeders. Drei dieser Fünfecke sind in F i
g. 4 mit strichpunktierten Linien veranschaulicht. Im Symmetriezentrum jedes Fünfecks
befindet sich die Mündung eines Gasabführkanals 58 und 58', durch den das Gas nach
Durchströmen des Lagerspaltes 24 - teilweise über Verbindungsbohrungen 61 - axial
verlaufenden Ableitungen 59 zugeführt wird, über die das Gas in die radialen Kanäle
32 gelangt.
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Wie sich aus Fig.4 ergibt, liegen die einzelnen
Fünfecke nicht nur
symmetrisch zum Zentrum des kugelförmigen Lagerkörpers 23, sondern die einzelnen
fünfeckigen Teilflächen besitzen auch für sich allein eine symmetrische Gasführung,
da die fünf Zuführkanäle der einzelnen Fünfecke jeweils an den Ecken und der Abführkanal
58 im Zentrum des Fünfecks liegen.
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Die Lagerung des Innenkreisels21 auf einem in dieser Weise gasdurchströmten
Lagerspalt zeichnet sich durch eine besonders hohe Präzision aus und vermeidet selbst
bei Abweichungen der Rotationsachsen von Außenkreisel 9 und Innenkreisel 21 störende,
durch eine unsymmetrische Gasströmung erzeugte Momente auf den Innenkreisel 21.