DE2307476A1

DE2307476A1 - Auswuchttisch fuer die messung von unwuchten

Info

Publication number: DE2307476A1
Application number: DE19732307476
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Cot; Jean-Louis Constant Seghesio
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1972-02-18
Filing date: 1973-02-15
Publication date: 1973-08-30
Also published as: DE2307476B2; US3805623A

Description

Auswuchttisch für die Messung von Unwuchten

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Bestimmen und Korrigieren der Unwucht von Teilen, die sich um eine Achse drehen sollen,z.B. eines Satelliten, eines Rotors einer Turbomaschine oder einer anderen rotierenden Maschine, eines Fahrzeugrads, eines Steuerrads usw..

ι Diese Unwuchten kommen von einer Verschiebung des tatsächlichen Schwerpunkts des entsprechenden Teils gegenüber seinem theoretischen oder geometrischen Schwerpunkt, durch den die Drehachse verlaufen soll, folglich von einer ungleichmäßigen Verteilung der Massen. Man unterscheidet in der Praxis zwei Arten von Un-' wuchten: Erstens die statische Unwucht, die sich unabhängig von j der Bewegung zeigt und die Verschiebung des tatsächlichen Schwer-

punkts auf die Drehachse überträgt und zweitens die dynamische Unwucht, die sich bei der Drehung zeigt und die die Verschie-

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bung des tatsächlichen Schwerpunkts auf eine zur Drehachse senkrechte Ebene überträgt, die durch den geometrischen Mittelpunkt geht.

Die Messung der statischen und dynamischen Unwuchten läßt die Massenverteilung im sich drehenden Körper erkennen. Das Auswuchten trachtet diese Unwuchten durch Anbringen kleiner Korrekturmassen an richtig gewählten Stellen des Körpers aufzuheben. Das Ziel ist, die beim Drehen auftretenden Schwingungen und Lagerkräfte zu unterdrücken, die einen der wichtigsten Verschleißfaktoren bilden.

Man weiß übrigens, daß bei dieser Massenart die Genauigkeit dem Quadrat der Drehzahl proportional ist. Man hat ein großes Interesse daran, bei der maximal zulässigen Drehzahl zu arbeiten, damit die Unwuchten in der ausgeprägtesten Form auftreten. Nun gibt es aber empfindliche Körper, bei denen unter der Wirkung der Fliehkräfte die Gefahr der Deformierung besteht und die aus diesem Grund nicht mit erhöhter Drehzahl gedreht werden dürfen.

Das ist insbesondere bei Satelliten der Fall sowie bei anderen Flugkörpern für die Raumfahrt, deren Aufbau die Anwendung üblicher Auswuchtgeräte verbietet, bei denen die Genauigkeit eine untere Geschwindigkeitsgrenze in der Größenordnung von 80 U/min erfordert, ein Grenzwert in Anbetracht der Konstruktion eines Satelliten, der für eine Eigenrotation in dar Umlaufbahn in der Größenordnung von einer Umdrehung je Minute ausgelegt ist. Außerdem haben die am genauesten arbeitenden, bekannten Auswucht-

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maschinen eine waagrechte Achse und sind daher für das Handhaben eines solchen Prüfkörpers ungeeignet. Diese können tatsächlich nur über ihre Anschlußfläche an der Abschußeinrichtung befestigt werden und es würde sich aufgrund der Schwerkraft bei waagrechter Lage eine bedeutende Verformung ergeben.

Andererseits erfordert ein Satellit eine sehr genaue Auswuchtung, um jede schädliche Präzession bei der Ausrichtung des Flugkörpers in der Umlaufbahn zu vermeiden, wobei ein vorzeitiger Verbrauch der Gasreserve für die Stabilisierung riskiert wird. Somit sehen sich die Techniker im Versuch akuten Meßproblemen gegenübergestellt sowie Problemen der Korrektur der Unwuchten vor dem Abschuß derartiger Flugkörper, die eine Drehbewegung um ihre geometrische Symmetrieachse haben sollen und folglich dem Satz von Poinsot folgen.

Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung dieser Probleme, läßt die Trägheitseigenschaften des zu untersuchenden Körpers erkennen, insbesondere die statischen und dynamischen Unwuchten, und gestattet somit seine Auswuchtung. Diese besteht darin, daß die Trägheitsachse zur Deckung mit der Drehachse gebracht wird« Dies geschieht aufgrund des Ansprechens auf Schwingungen eines mechanischen Systems, das durch dynamische Kräfte erregt wird, die den zu messenden Parametern proportional sind. Dieser Körper wird in eine Bewegung um eine senkrechte Drehachse versetzt, die bis zu einer Drehzahl in der Größenordnung von 15 U/min oder weniger abnehmen kann. Dabei wird bei der ganzen Messung ein hohes Maß an Genauigkeit eingehalten.

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Zu diesen Nachteilen, an einem Gerät/senkrechter Drehachse bei gejringer Drehzahl zu arbeiten, ist noch derjenige hinzuzufügen, die Anzahl der Manipulationen an Satelliten, die empfindliche Gegenstände sind, an denen Auswuchtmassen nur schwer zu befestigen sind, auf ein Minimum herabzusetzen.

Die vorliegende Erfindung ist auf diese Nachteile gerichtet und vermeidet die unvermeidlichen Eichungen der bisherigen Geräte.Die statischen und dynamischen Unwuchten sind Dank einer mechanischeil Entkupplung getrennt und werden durch unmittelbares Ablesen gegeben, wobei jede von ihnen nur einen der Freiheitsgrade eines Schwingungssystems erregt. Diese Entkupplung hat den weiteren Vorteil, das Programm zu vereinfachen, da es nicht mehr nötig ist, die Signale zum Trennen der Unwuchten zu verarbeiten. Die Genauigkeit nimmt dabei zu.

Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere beim Auswuchten von Satelliten und anderen Raumfahrtflugkörpern angewendet zu werden scheint, ist sie offensichtlich in keiner Weise auf eine derartige Anwendung beschränkt und kann auf alle übrigen Teile angewendet werden, die um eine Drehachse gedreht werden sollen, z.B. auf Rotoren von Rotationsmaschinen oder auf Fahrzeugräder.

Bei einem Auswuchtgerät nach der Erfindung sind im wesentlichen folgende Merkmale vorgesehen:

Ein sich um eine senkrechte Achse drehender Antriebsteller, auf dem das zu untersuchende Teil so befestigt ist, daß seine Dreh-

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achse genau mit der senkrechten Achse zusammenfällt/ ι

ein einen feststehenden Untersatz bildender, nicht drehender Rahmen und ein Schwingungen ausgesetzter Tisch, der auf dem feststehenden Untersatz durch Zwischenschaltung einer Aufhängung angeordnet ist, die aus zwei elastischen Systemen in schiefen Ebe- ! nen besteht, die gemäß einem Keil angeordnet sind, dessen Winkel : die senkrechte Achse als Winkelhalbierende zuläßt und dessen j Kante sich auf einer waagrechten Geraden erstreckt, die in den j Bereich des Schwerpunkts des Keils führt, und

zwei Verschiebungsmeßfühler, von denen jeder ein gegenüber dem Untersatz feststehendes Gehäuse und ein die Schwingungen des ι Tischs anzeigendes Tastorgan darstellt, wobei die Meßfühler an j verschiedenen Stellen des Tischs so angeordnet sind, daß sie entsprechend die linearen Bewegungen des Tischs parallel zur waag-

j rechten Geraden und seine Pendelbewegungen um die waagrechte Ge-

rade anzeigen.

Gemäß einer Besonderheit der Erfindung sind die Verschiebungsmeßfühler zueinander senkrecht ausgerichtet. Der erste Meßfühler zeigt die linearen, zur waagrechten Geraden parallelen Bewegungen des Tischs an und ist möglichst nahe oberhalb der waagrechten Geraden angeordnet. Der zweite Meßfühler zeigt die Pendelbewegungen des Tischs um die waagrechte Gerade an und ist möglichst entfernt unterhalb der waagrechten Geraden angeordnet.

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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist jedes der in schiefen Ebenen angeordnete elastischen Systeme zwei parallele und geneigte Federbeine auf. Jedes Federbein eines der Systeme ist gegenüberliegend und in einer gleichen senkrechten Ebene wie ein entgegengesetzt geneigtes Federbein des anderen Systems angeordnet, so daß die vier Federbeine mehr oder weniger an den Kantenjeines dreieckigen, aufrechten Prismas mit rechtwinkligen Seiten angeordnet sind. Jedes dieser Federbeine weist vorteilhaft ein starres Zwischensegment auf, das einerseits mit seinen Enden am Untersatz und andererseits am Schwingungstisch über biegsame, Biegefedern bildende Segmente angeschlossen ist.

Die im Hinblick auf die Zeichnung folgende Beschreibung gibt ein nicht beschränkendes Beispiel wieder und läßt die Verwirklichung der Erfindung gut verstehen. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 schematische Seiten- und Vorderansichten eines j Auswuchtgeräts nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Auswucht- ] tischs, von dem die verschiedenen Meß- und Bezugssignale ausgesendet werden; j

Fig. 4 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels der vorr liegenden Erfindung.

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In Fig. 1 und 2 ist der auszuwuchtende Körper 1 zu erkennen, dessen geometrischer oder theoretischer Mittelpunkt sich bei O befindet und der auf einem waagrechten Antriebsteller 2 befestigt ist, der sich um eine senkrechte Achse Oz in einem Rahmen dreht. Dieser Rahmen wird gebildet aus einem auf vier genei-ten Federbeinen 4 aufgehängten Tisch 3. Diese Federbeine sind in einem feststehenden Untersatz 5 fest eingespannt, wobei jedes Federbein ein starres Zwischensegment 4a bildet, das über elastische Endsegmente 4b und 4c am feststehenden Untersatz 5 bzw. am Tisch 3 angeschlossen ist.

' Die Federbeine 4 sind zueinander parallel und in zwei schiefen Ebenen Ov und Ow angeordnet. Diese Ebenen bilden einen Keil, des-

j sen Winkel vOw die Achse Oz als Winkelhalbierende zuläßt und des-

j sen Kante entlang einer waagrechten Geraden Oy verläuft. Es ist ! festzustellen, daß jedes Federbein einer Ebene des Keils vOw ge- ! genüberliegend und in der gleichen senkrechten Ebene angeordnet j ist wie ein Federbein mit entgegengesetzter Neigung der anderen ! Ebene dieses Keils, so daß die vier Federbeine an den Kanten eines aufrechten Prismas mit Basen mit gleichschenkeligen Dreiecken (vgl. Fig. 1) und mit rechtwinkligen Seitenflächen (vgl.

Fig. 2) erstrecken. Die obere Kante Oy dieses Prismas ist waag- ; recht, während die Basen vOw senkrecht sind. Diese Anordnung der \ Federbeine bewirkt eine Beschränkung der Schwingungen des Tischs

3 auf zwei Freiheitsgrade. Genauer ausgedrückt, kann dieser Tisch nur lineare Verschiebungen parallel zur Kante des Keils j vOw ausführen, d.h. in der waagrechten Achse Oy, sowie pendenlnde : Verschiebungen ausführen in der senkrechten Ebene xOz um diese

waagrechte Achse Oy. ___

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Die Schwingungen des Tischs 3 treten mit einer Frequenz auf, die gleich der Drehzahl des auf dem sich drehenden Teller 2 befestigten Körpers 1 ist. Sie gliedern sich auf in:

Erstens,- seitliche Schwingungen parallel zur Achse Oy, verursacht durch die Resultierende des Moments der dynamischen Kräfte, die ■ die statische Unwucht darstellt,

zweitens; Pendel- oder Schaukelschwingungen um die Achse Oy, verursacht durch das die dynamische Unwucht darstellende, resultierende Moment.

Es genügt folglich, die Amplitude derartiger Schwingungen mit Hilfe zweier Verschiebungsmeßfühler zu messen, die geneigt um 90 versetzt an richtig ausgewählten Stellen angeordnet sind, die in Fig. 2 für den "statischen" Meßfühler mit F1 und in Fig.1 für den "dynamischen" Meßfühler mit F2 bezeichnet sind.

Man wird wohlgemerkt ein Interesse daran haben, zum Vergrößern der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung die größtmöglichen Hebelarme zu haben und diese Schwingungen an der Stelle ihrer maximalen Amplituden festzustellen. Im Hinblick auf die linearen Bewegungen des Tischs 3 parallel zu Oy wird man folglich so hoch wie möglich über dem feststehenden Untersatz 5 Platz nehmen, indem die unteren Enden der Federbeine eingespannt sind, wie durch den Pfeil F1 (Fig. 2) gezeigt. Dagegen wird man sich im Hinblick auf die Pendelbewegungen des Tischs 3 um die Achse Oy soweit wie möglich entfernen, wie durch F2 (Fig. 1) ge-

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zeigt, indem man nahe der Basis eines Ansatzes 3A das Gehäuses 3B eines für den Antrieb des sich drehenden Tellers 2 eingebauten Elektromotors Platz nimmt.

Die Lage und die Intensität der Unwuchten des Körpers 1 werden somit nach Maßgabe der Phase und der Amplitude der Schwingungen mit Hilfe der beiden Verschiebungsmeßfühler gegeben, die gemäß F1 (für die statische Unwucht) und F2 (für die dynamische Unwucht) angeordnet sind.

Diese Verschiebungsmeßfühler können von der bekannten Differenztransformator-Bauart sein mit einem eingebauten Modulator-Demodu- j lator.

Nach Maßgabe der betrachteten Unwuchten verfügt man daher über zwei Meßfühler 8A und 8B (Fig. 3) in der Weise, daß ihre Kernkolben 7A und 7B entsprechend über Taster an den Stellen F1 und F2 des Geräts angeschlossen sind.

Man setzt folglich Präzisionsumformer in Betrieb, die die Verschiebung der Kernkolben 7A und 7B aufgrund der Schwingungen des

j Tischs 3 in elektrische Signale umwandeln, mit zur Amplitude dieser Schwingungen proportionalem Maßstab und mit gleicher Fre-

I quenz wie diese. j

Diese Meßsignale werden durch die bezüglich der Fig. 8 beschriebene elektronische Schaltung verarbeitet, die das gleichzeitige Bearbeiten zweier Meßsignale gestattet, die von den bei F1 und

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F2 angeordneten Meßfühlern geliefert werden, und die in Verbindung mit einem angemessenen System für die Winkelortsbestimmung des sich drehenden Tellers 2 arbeitet.

in Diese Meßfühler liefern nach der Verstärkung/17 und 18 Meßsignale a und b, die den Verschiebungen der entsprechenden Kernkolben 7A und 7B proportional sind.

Der Antriebsteller 2 trägt seinerseits auf einem Kreis vier um 90 gegeneinander versetzte Metallkontakte und in einer unterschiedlichen Ebene einen fünften Kontakt 23. Wenn sich der Teller 2 : dreht, bewegensich die Kontakte 19, 20, 21, 22 vor einem feststehenden, magnetischen Meßfühler 24 vorbei, der bei jedem Durchgang eines Kontakts einen Impuls liefert, während sich der Kon- i takt 23 ebenfalls vor einem weiteren feststehenden, magnetischen j Meßfühler 25 vorbei bewegt, der daher einen Impuls je Umdrehung j

des Tellers 3 liefert. I

Die so durch die magnetische Meßfühler 24 und 25 erzeugten Impulse werden in 26 und 2 7 geformt, um zwei quadratische, um 90° phasenverschobene Signalreihen zu erhalten. Nach Integration in 28 und 29 gelangt jede Signalreihe in einen Sinuswellengenerator 30 und 31 in der Größenordnung von polarisierten Dioden. Man erhält von dieser Art nach Verstärkung in 32 und 33 zwei sinusförmige, um 90° phasenverschobene Bezugssignale c und d mit konstanter Amplitude und mit der Frequenz der Drehung des Tellers 2. Der vom magnetischen Meßfühler 25 gelieferte Impuls

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bildet den Quadranten 0-90°, wobei hinzuzufügen ist, daß der Kontakt 19 den Phasenanfang darstellt und die Ortung der sinusförmigen Signale bezüglich dieses Quadranten gestattet.

Die Meßsignale a und b werden gleichzeitig entsprechend mit den ; sinusförmigen Bezugssignalen c und d in vier Zellen mit HaIleffekt multipliziert, und zwar eine Zelle 34 für die Signale a

! und c, eine Zelle 35 für<fte Signale a und d, eine Zelle 36 für die Signale b und c und eine Zelle 37 für die Signale b und d.

In jeder Zelle wird je nach dem Fall die Induktion proportional

dem Bezugssignal c oder d und die Stromstärke proportional dem Meßsignal a oder b gemacht.

Die von den Multiplikationszellen 34, 35, 36, 37 abgegebenen

Signale werden in 38, 39, 40, 41 integriert. Die Integration gestattet in gleicher Weise die Entfernung von Störsignalen und ; von Grundgeräusch, die den Meßsignalen a und b anhaften. Dank einer Hochfrequenzumwandlung in 42, 43 werden die beiden kontinuierlichen und den um 90° phasenverschobenen Komponenten entsprechenden Spannungen mit durch 8A und 8B angezeigter Größe

mit

auf einem/Polardiagrammraster versehenen Leuchtschirm 44 zusammengesetzt. Man liest somit die Phase und die Amplitude entsprechender Größen unmittelbar ab, die gleichzeitig auf dem Raster erscheinen, wie schematisch bei 45 und 46 gezeigt.

j Die beschriebene Schaltung ergibt zwei bemerkenswerte Vorteile: Sie gestattet den Verzicht auf eine übliche Meßreihe, die die

ι ~¹²~

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elektrische Trennung der Unwuchten bewirkt und sie benötigt keine Ausführung einer Eichung für jeden Prüfkörper.

j Die Handhabung wird daher in maximaler Weise vereinfacht: Es gej nügt tatsächlich bei 45 und 46 die Unwuchten der Masse 1 nach

' den Anzeigen der Meßfühler 8A und 8B abzulesen.

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Claims

PstentamwSK·
DIpI. Ing-H. Hau . - '- · '^ ., _w*hn*rt

Centre National
d¹Etudes Spatiales

127, rue de l'Universite, 16. Februar 1973

Pari s,Frankreich Anwaltsakte M-2529

Patentansprüche

} Auswuchtgerät zum Bestimmen und eventuellen Korrigieren der ί Unwucht eines Teils, das zu einer Bewegung um eine Drehachse angeregt werden soll, gekennzeichnet durch einen sich um eine senkrechte Achse(Uz)drehenden Antriebsteller (2), auf dem das zu untersuchende Teil (1) so befestigt ist, daß seine Drehachse genau mit der senkrechten Achse zusammenfällt, einen einen feststehenden Untersatz bildenden, nicht drehenden Rahmen und einen Schwingungen ausgesetzten Tisch (3), der auf des feststehenden Untersatz (5) durch Zwischenschaltung einer Aufhängung (4) angeordnet ist, die aus zwei elastischen Systemen in schiefen Ebenen besteht, die gemäß einem Keil angeordnet sind, dessen Winkel (yOw) die senkrechte Achse als Winkelhalbierende zuläßt und dessen Kante sich auf einer waagrechten Geraden (Oy) erstreckt, die in den Bereich des

und

Schwerpunkts (0) des Teils führt,/zwei Verschiebungsmeßfühler (8A₉ 8B), von denen jeder ein gegenüber dem Untersatz

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feststehendes Gehäuse (6) und ein die Schwingungen des Tischs anzeigendes Tastorgan (9) darstellt, wobei die Meßfühler an verschiedenen Stellen (FI, F2) des Tischs so angeordnet sind, daß sie entsprechend die linearen Bewegungen des Tischs parallel zur waagrechten Geraden und seine Pendelbewegungen um die waagrechte Gerade anzeigen.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der elastischen und in schiefen Ebenen befindlichen Systeme zwei geneigte Federbeine (4) aufweist, daß jedes Federbein eines der Systeme gegenüberliegend und in der gleichen senkrechten Ebene angeordnet ist wie ein Federbein mit entgegengesetzter Neigung des anderen Systems, in der Art, daß die vier Federbeine mehr oder weniger an den Kanten eines dreieckigen, aufrechten Prismas mit rechteckigen Seitenflächen angeordnet sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder- ! beine (4) ein starres Zwischensegment (4a) aufweisen, das sich mit seinen Enden an den Untersatz (5) einerseits und an den schwingenden Tisch (3) andererseits über Biegefedern bildende, elastische Elemente (4b, 4c) anschließt.
4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die VerschiebungsmeßfUhler (8A, 8B) zueinander senkrecht ausgerichtet sind, wobei der erste (8A) Meßfühler, der die linearen und zur waagrechten Geraden (Oy) parallelen Bewe-

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gungen anzeigt, so nahe wie möglich (bei F1) an der waagrechten Geraden angeordnet ist, während der zweite (8B) Meßfühler, der die Pendelbetvegungen des Tischs (3) um die waagrechte Gerade anzeigt, so weit wie möglich von dieser Geraden (bei F2) angeordnet ist.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verschiebungsmeßfühler (8A) gegenüber dem schwingenden Tisch (3) eine obenliegende Stellung (F1) einnimmt, während der zweite Meßfühler (8B) gegenüber dem schwingenden Tisch (3) eine untenliegende Stellung (F2) einnimmt.
6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekenn- \ zeichnet, daß die die Schwingungen des Tischs (3) anzeigenden j

Verschiebungsmeßfühler (8A, 8B) mit einem Ortungssystem (19-23J)

zusammenarbeiten, das durch die Drehung des Antriebstellers !

(2) gesteuert und betätigt wird zum Erzeugen zweier sinus- j förmiger, jedoch um 90 phasenverschobener Bezugsspannungen j (c,d) gleicher Amplitude, während die Meßfühler zwei bestimmte Meßsignale (a,b) abgeben, die gleichzeitig und entsprechend mit den Bezugsspannungen in vier Multiplikatoren (34-37) multipliziert werden, auf deren vier Ausgängen entsprechende Integratoren (38-41) angeordnet sind, die unter Zwischenschaltung eines elektronischen Hochfrequenzumwandlers (42-43) einen Bildschirm (44) speisen, auf dem man folglich zur gleichen Zeit (bei 45 und 46) die Phase und Amplitude jedes der beiden Meßsignale ablesen kann.

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7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sinusförmigen Bezugsspannungen (c,d) ausgehend von einem Bezugsimpuls liefernden Generator verarbeitet werden, wobei die Bezugsimpulse (bei 26,27) so geformt werden, daß zwei Reihen quadratischer, um 90 phasenverschobener Signalreihen erhalten werden, die nach Integration (bei 28,29) in Sinuswellengeneratoren (30,31) gelangen.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinuswellengeneratoren (30,31) in der Größenordnung von polraisierten Dioden sind.
9. Gerät nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verschiebungsmeßfühler (8A, 8B) von der Bauart mit Kernkolben (7) und Differentialtransformator ist mit einem eingebauten Modulator-Demodulator.

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