DE2525530A1 - Universalgelenk und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

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Litton Industries, Inc., 360 North Orescent Drive, Beverly Hills, California 90210, USA

Universalgelenk und Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung bezieht sich auf Universalgelenke und die Herstellung solcher Universalgelenke, wie sie als kardanische Aufhängung für das Rotorelement eines Kreisels an einem antreibenden Element oder einer Welle verwendet werden, und insbesondere auf ein Universalgelenk zur Verwendung als kardanische Aufhängung eines Kreisels, mit einem drehbaren, antreibenden Element, einem angetriebenen Element, das ein Rotorelement darstellt, welches während des Betriebes mit dem Antriebselement rotiert, wenigstens zwei zwischengeschalteten kardanischen Elementen und einer Vielzahl von Schwenkverbindungen, wobei jedes zwischengeschaltete kardanische Element durch wenigstens eine Schwenkverbindung mit dem antreibenden Element und über wenigstens eine andere Schwenkverbindung mit dem angetriebenen Element verbunden ist, so daß wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete, das angetriebene Element abstützende Kardansysteme gebildet werden, die im Winkel gegeneinander versetzt sind, derart, daß jede Schwenkverbindung durch wenigstens ein Biegegelenk geformt wird, das normalerweise eine Biegeebene mit einer Biegeachse definiert.

Eine Anwendungsmöglichkeit für ein Universalgelenk für Auslenkungen kleinen Winkels sind lagerfreie Kreisel. Ein lagerfreier Kreisel mit einem in Drehung, vorzugsweise Spinbewegung versetzten Rotorelement kann auf einer Traganordnung so befestigt sein, daß die Traganordnung gedreht werden oder eine Translationsbewegung ausführen kann, ohne daß störende Drehmomente auf den Motor aufgegeben werden. Bei einer praktisch ausgeführten Einrichtung werden Steuerdrehmomente dem Eotorelement aufgegeben, damit das Rotorelement in gesteuerter Weise eine Präzissionsbewegung ausführt. Ein lagerfreier Kreisel

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weist üblicherweise Abfühlvorrichtungen zur Anzeige der Winkelfehl ausrichtung zwischen der Rotorspinachse und der Wellenachse oder einer gehäusefesten Achse auf. Das Signal, das die auf diese Weise angezeigte Winkelfehlausrichtung darstellt, kann dann nach entsprechender Verstärkung dazu verwendet werden, einer Traganordnung, z.B. einem kardanischen Element einer Trägheitsplattform ein Drehmoment aufzugeben, damit die Traganordnung der Rotorspinachse folgt, wodurch die Winkelfehlausrichtung aufgehoben wird. Andererseits kann eine abgefühlte Winkelfehlausrichtung verwendet werden, um dem Rotorelement direkt ein Drehmoment aufzugeben, und zwar im sog. "gefesselten" Betrieb.

Eine der Möglichkeiten, ein lagerfreies Element eines Kreisels frei zu halten, ist, es durch vibrierende kardanische Elemente abzustützen (US-PS 3.678.764). Die Aufhängung für das Rotorelement nach diesem Vorschlag weist getrennt hergestellte kardanische Elemente und Torsionsstäbe auf, wobei die entsprechenden Torsionsachsen im Winkel in bezug aufeinander versetztsind. Aus US-PS 3.709.045 ist auch eine zweiteilige Aufhängung bekannt, bei der ein Paar von kardanischen Elementen entsprechende Torsionsachsen besitzt, die im Winkel voneinander versetzt sind.

Bei anderen bekannten Anordnungen erfolgt der Zusammenbau von Aufhängungen aus getrennten Teilen, wobei ein Paar von kardanischen Elementen in paralleler Ausrichtung zueinander vorgesehen ist. Beispiele für eine innere Gelenkeinheit, die mit einer äußeren Gelenkeinheit befestigt ist, sind in den US-PSen 3.354.726, 3.585.866, 3.614.894, 3-700.289 und 3-700.290 beschrieben und dargestellt. Bei diesen älteren Patenten sind zwei unterschiedliche kardanische Elemente mit einer Welle und mit einem Rotor in symmetrischer Weise parallel befestigt, d.h. die wellenbezogenen Torsionsachsen, nämlich die inneren kardanischen Achsen der kardanischen Elemente, sind in bezug aufeinander ausgerichtet, und ebenso sind die mit rotorbezogenen Torsionsachsen, nämlich die äußeren

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kardanischen Achsen der kardanischen Elemente in bezug aufeinander ausgerichtet. Die Ausdrücke "innere kardanische Achse" und "äußere kardanische Achse" sollen die Schwenkachsen bezeichnen, die die mit der Welle oder mit dem Rotor gebundenen Schwenkverbindungen definieren.

Eine Biegeaufhängung mit einem einzigen kardanischen Element ist in US-PS 3.700.291 beschrieben und dargestellt.

Der Zusammenbau von einzelnen Teilen zur Ausbildung der Biegeaufhängungen nach der bekannten Technik erfordert eine außergewöhnliche Präzision und sehr enge Toleranzen bei der Herstellung einer Aufhänguagsednheit mit guten Betriebseigenschaften. Die Fehlausrichtung einer Achse oder mehrerer Achsen einer Biegeaufhängung in einem Präzisionselement, z.B. einem Kreisel, stellt eine Quelle von Ungenauigkeiten für die Arbeitsweise des Kreisels dar. Der Zusammenbau der einzelnen Teile, z.B. durch Strahlschweißen, Löten usw. bewirkt eine störende Beeinflussung der Teile während des Zusammenbaues und/oder eine Ifehlausrichtung der Teile zueinander. Beispielsweise ist es bei Biegeaufhängungen der bekannten Art schwierig, in exakter Weise einen vorbestimmten Winkel zu erreichen, der zwischen entsprechenden Biegeachsen von Mehrfachkardanelementen gebildet wird, gleichgültig, ob der Winkel 0 Grad, 90 Grad oder einen anderen Wert hat. Zusätzlich ist es auch schwierig, das gewünschte Resultat zu erzielen, daß jede der Biegeachsen der kardanischen Elemente exakt alle anderen in einem gemeinsamen Mittelpunkt schneidet. Des weiteren ist es schwierig, den Schwerpunkt einer Biegeaufhängung genau in der geometrischen Mitte der Aufhängung sowohl in radialer als in axialer Richtung zu erreichen. Abweichungen von dieser hohen Präzisionjdieser Ausrichtungen vermindern die Leistungskennwerte und die Betriebseigenschaften, so daß die Genauigkeit des Instrumentes herabgesetzt wird.

Zusätzlich erfordert die notwendig werdende Präzisionsausrichtung für eine Aufhängung, die aus getrennten Teilen hergestellt ist, extrem komplizierte Herstell- und Zusammenbaugeräte und Spezialisten, die diese erforderlich werdenden Ausrichtvorgänge vornehmen.

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Vorliegende Erfindung "basiert auf der Erkenntnis der Ursachen für die Ungenauigkeiten, wie auch, der Ursachen der extrem hohen Herstellkosten, die mit dadurch bedingt sind, daß Spezialkräfte für den Zusammenbau bekannter Universalgelenke, wie sie bei kardanischen Aufhängungen in Kreiseln verwendet werden, erforderlich sind. Dabei wurde die Erkenntnis gewonnen, daß die Genauigkeit vergrößert und die Komplikationen beim Zusammenbau aus mehreren Teilen dann behoben werden könnten, wennein Universalgelenk aus einem einzigen Rohling in Form eines massiven Körpers hergestellt wird, der praktisch aus einem MetallblocS: besteht. Wenn somit alle vorher getrennt hergestellten Teile aus einem derartigen einzigen Metallblock bearbeitet wurden, und zwar in einer Weise, die mit dem Verfahren des Herausarbeitens der Bestandteile verglichen werden kann, etwa vergleichbar mit der Arbeit des Bildhauers, so daß nur die Verbindungen in Form von Biegegelenken verbleiben, so würde ein derartiges neues Verfahren alle anschließenden Zusammenbauvorgänge überflüssig machen, die bisher für unbedingt erforderlich gehalten wurden.

Es wurde dann auch erkannt, daß eine an sich bekannte Technologie, nämlich die Technik der Ifunkenerosionsbearbeitung, gestattet, einstückige Universalgelenke in der Praxis herzustellen.

Bei der weiteren Entwicklung der Erfindung wurde klar, daß für praktische Zwecke die kardanischen Verbindungen nicht in der Art von Schwenklagern oder Torsionsstäben ausgebildet werden konnten, sondern daß sie Biegegelenke sein mußten, da Biegegelenke durch Bearbeitung aus einzelnen Metallelementen hergestellt werden können. Um diese Grundkonzepte in die Tat umzusetzen, hat man festgestellt, daß eine Bedingung, die vom praktischen Standpunkt aus erwünscht ist, darin besteht, daß die Biegeebenen, die die symmetrischen Ebenen der Biegegelenke sind, alle den gleichen Winkel mit der Eotationsach.se des Universalgelenkes einschließen, wobei diese Achse der Definition nach zusammen mit der Achse der Spinwelle und auch mit der Achse des Eotorelemies zusammenfällt, wenn

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das Instrument die Ruhestellung einnimmt. Umgekehrt hat man angenommen, daß die bekannte Orientierung von Biegegelenken, wie dies vorher allgemeine Auffassung war, keine maschinelle Bearbeitung und kein Herausarbeiten der Elemente des Universalgelenkes aus einem einzigen massiven Metallblock ermöglichen würde.

Hieraus ergibt sich, daß die verschiedenen Konzepte für das Universalgelenk nach vorliegender Erfindung und das Verfahren zu seiner Herstellung sehr eng miteinander verwandt sind. Bei der Erfindung handelt es sich um die Herstellung eines Universalgelenkes aus einem einzigen Metallblock, der den Rohling darstellt, an welchem die Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden; diese Bearbeitungsvorgänge sind als Funkenerosionsbe— arbeitung bekannt und die durchzuführenden Arbeitsvorgänge sind solche, daß das resultierende Universalgelenk Biegegelenke mit einer speziellen Orientierung besitzt, die die Orientierung ist, die die Verwendung der speziellen Technik nach vorliegender Erfindung ermöglicht, wodurch die Herstellung des Universalgelenkes aus einem einzigen Metallstück gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß jede Biegeebene normalerweise einen Winkel der gleichen Größe mit den normalerweise koinzidenten Rotationsachsen des antreibenden Elementes und des angetriebenen Elementes bildet. Vorzugsweise ist die Größe des Winkels Null Winkelgrade, wobei alle Biegeebenen normalerweise die koinzidenten Rotationsachsen einschließen. Andererseits kann die Größe des Winkels 90 Winkelgrade betragen, wobei alle Biegeebenen normalerweise eine gemeinsame Ebene einnehmen, die einen Winkel von 90 Winkelgraden mit den koinzi— denten Rotationsachsen bildet.

Unter den verschiedenen Merkmalen spezieller Ausführungsformen nach der Erfindung ist das Merkmal, daß das antreibende Element, das angetriebene Element, die kardanischen Elemente und die Zwischenverbindung-Biegegelenke Teil eines integralen Material-

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Stückes bilden, aus welchem sie gearbeitet sind, hervorzuheben. Weiterhin sieht die Erfindung die Verwendung der Funkenerosionsbearbeitung zur Herstellung eines Universalgelenkes mit Biegegelenken aus einem einzigen massiven Metallblock vor, wobei die Biegegelenke jedes von mindestens zwei kardanischen Elementen mit einem angetriebenen Element und mit einem antreibenden Element verbinden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Universalgelenkes mit Biegegelenken, die wenigstens zwei zwischengeschaltete kardanische Elemente mit einem angetrieben Element oder mit einem antreibenden Element, das eine Rotationsachse aufweist, verbinden, und bei dem für jedes auszubildende Biegegelenk ein Paar benachbarter paralleler Löcher in einen Rohling gebohrt wird, derart, daß das zwischen den Löchern verbleibende Material ein Biegegelenk darstellt, dessen Biegeachse parallel zu den beiden Löchern an der Stelle minimaler Dicke des Biegegelenkes verläuft, vorgeschlagen, daß ein Rohling in Form eines massiven Blockes aus Metall hergestellt wird, in den die Paare von Löchern gebohrt werden, und daß Schnitte in den Metallblock unter Anwendung der Funkenerosionsbearbeitungstechnik geführt werden, wodurch das antreibende Element, das angetriebene Element und die dazwischengeschalteten kardanischen Elemente aus dem Metallblock als getrennte Körper geformt werden, die um die Rotationsachse angeordnet sind, wobei diese Körper voneinander mit Ausnahme der verbleibenden, die Zwischenverbindung darstellenden Biegegelenke getrennt sind.

Wie sich aus der nachstehenden Beschreibung ergibt, betrifft die Erfindung ein Universalgelenk für Auslenkungen mit kleinem Winkel, das ein rotierendes, antreibendes Element aufweist, welches mit einem angetriebenen Element durch wenigstens zwei Systeme verbunden ist, deren jedes ein kardanisches Element besitzt. Somit stellt die Erfindung eine Weiterentwicklung dessen dar, was in US-PS 5.678.764 beschrieben und dargestellt ist. Anstelle der Torsionsstäbe sind eine Vielzahl von Biegegelenken vorgesehen, wobei jedes kardanische Element zwischen dem antreibenden Element und dem angetriebenen Element über wenigstens zwei Biegegelenke verbunden ist, von denen jedes eine Biegeachse und eine

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Längsachse definiert. Jede Längsachse eines Biegegelenkes verläuft im rechten Winkel zur Biegeachse des Biegegelenkes und "bildet auch einen Winkel gleicher Größe mit den Rotationsachsen der antreibenden und angetriebenen Elemente, wenn diese Elemente die Nullstellung einnehmen, d.h., wenn ihre Spinachsen zusammenfallen, d.h. kolinear sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Längsachsen der Biegegelenke parallel zueinander und zu den zusammenfallenden Rotationsachsen der antreibenden und angetriebenen Elemente, z.B. , wenn das Universalgelenk seine Nullstellung einnimmt.

Nebeneinander liegende integrale Anschläge an jeder Kreuzungsstelle der kardanischen Elemente begrenzen die Winkelfreiheit des antreibenden Elementes und des angetriebenen Elementes in bezug aufeinander und reduzieren damit die Gefahr einer Beschädigung des Universalgelenkes bei der Handhabung.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Biegeaufhängung gemäß der Erfindung, die ein Paar von kardanischen Elementen mit einem antreibenden Element und mit einem angetriebenen Element verbindet,

Figur 2 eine Seitenansicht eines Teiles der Ausführungsform nach Figur 1,

Figur 3 eine auseinandergezogene Darstellung des Universalgelenkes nach den Figuren 1 und 2,

Figur 4- eine perspektivische Teilansicht eines Details der Ausführungsform nach den Figuren 1, 2 und 3, wobei nebeneinander liegende einteilige Anschläge an einer Überkreuzung der beiden kardanischen Elemente vorgesehen sind,

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Figur 5 eine Querschnittsansicht eines Kreiselgerätes mit der Ausführungsform nach den Figuren 1-4·,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht der Grunde lein ent e eines idealen Kreiselgerätes nach der Theorie "bekannter Kreiselgeräte ,

Figuren 7> 8, 9 und 10 schematische Darstellungen, die zur Beschreibung der bevorzugten Betriebsweise eines Kreisels mit dem Universalgelenk nach vorliegender Erfindung arbeiten,

Figuren 11 und 12 Aufsichten auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit drei kardanischen Elementen, mit unterschiedlichen Blickrichtungen,

Figuren 11A - 11E Teilschnittansichten längs der Linien 11a - 11f in Figur 11,

Figur 13 eine ßchnittansicht eines Mehrfachgebers aus zwei Kreiselgeräten, wobei der Massenmittelpunkt eines der Kreiselgeräte verschoben ist, und wobei beide Kreiselgeräte das Universalgelenk nach vorliegender Erfindung aufweisen,

Figur 14- eine Aufsicht auf eine teilweise vervollständigte weitere Ausführungsform der Erfindung, zum Teil im Schnitt,

Figur 15 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Figur 14,

Figur 16 eine Aufsicht auf eine Seite der vervollständigten Aus— führungsform des Universalgelenkes nach den Figuren 14- und 15,

Figur 17 einen Schnitt längs der Linie 17 - 17 in Figur 16,

Figur 18 eine Aufsicht auf die andere Seite der vervollständigten

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Ausführungsform des Universalgelenkes nach den Figuren 14 und 15>

Figur 19 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Figur 16 längs der Linie 19 - 19 in Figur 18 und

Figur 20 eine Seitenansicht eines Teiles einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Universalgelenkes nach der Erfindung dargestellt, "bei der nur die Grundelemente eines Kreiselgerätes gezeigt sind. Das Universalgelenk 10 weist ein Paar kardanischer Elemente 18 und 20 auf; der Schwerpunkt eines jeden dieser kardanischen Elemente ist im Mittelpunkt der Aufhängung der kardanischen Elemente angeordnet. Das Universalgelenk 10 weist ein antreibendes Element 12 auf einer Welle 104 mit einer Antriebsdrehachse 13» sowie ein angetriebenes Rotorelement 14, das eine Achse 15 der Rotordrehung definiert, auf. Die beiden kardanischen Elemente 18 und 20, die eine Mittenaufhängung 19 und eine Vielzahl von Biegegelenken besitzen, stellen zwei mechanisch parallel geschaltete kardanische Systeme dar, wie sie beispielsweise in US-PS 3.678.764 erläutert sind. Das Rotorelement 14 kann eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweisen und wird in der Praxis innerhalb eines Trägheitsrades 106 aufgenommen. Das antreibende Element 12, das Rotorelement 14 und die kardanischen Elemente 18 und 20 besitzen Endflächen, die weitgehend koplanar ausgebildet sind. Die Seitenflächen auf jeder Seite des antreibenden Elementes 12, des Rotorelementes 14, des kardanischen Elementes 18 und des kardanischen Elementes 20 sind im wesentlichen koplanar und liegen alle in der Querebene 21, während die entgegengesetzten Seitenflächen eines jeden dieser Elemente etwa koplanar in der Querebene 23 liegen, wenn das Universalgelenk seine Nullstellung einnimmt, d.h. nicht in Betrieb ist oder nicht beaufschlagt wird. Wenn das Rotorelement 14 seine Nullstellung nach Figur 1 einnimmt, verläuft die Rotorachse 15 kolinear, d.h. sie fällt mit der Antriebsachse 13 zusammen. Das Antriebselement 12 besitzt eine Bohenaftgö^²) aur^inahme der Antriebswelle 104.

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Die Ausführungsform nach. Figur 1 wird nach dem nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei die Herstellung des bevorzugten Ausführungsbeispieles nach den Figuren 14 - 19 erläutert wird. Nach diesem Verfahren werden Schlitze und Aussparungen in einem Materialrohling ausgebildet, z.B. geschnitten, damit aus einem einzigen Materialstück die Elemente 12, 14, 18 und 20 geformt werden können, die durch eine Vielzahl von Biegegelenken verbunden sind, welche durch Bohren von Löchern erstellt werden.

In den Figuren 1, 2 und 3 sind eine Vielzahl von Biegegelenken einschließlich des Biegegelenkes 24 dargestellt, das eine Biegeachse 25 definiert und beim Biegen um diese Biegeachse 25 nachgiebig ist, jedoch steif um Achsen rechtwinklig zu der Biegeachse 25 ausgebildet ist. Die Ausdrücke "nachgiebig" und "Nachgiebigkeit" sind in vorliegender Beschreibung so zu verstehen, daß sie den reziproken Wert der Steifheit eines Biegegelenkes angeben. Kardanische Elemente 18 und 20 isolieren das Rotorelement 14 im wesentlichen gegenüber Winkelbewegungen des antreibenden Elementes 12 um empf-indliche Achsen, die senkrecht zur Achse 13 verlaufen. Die weiter unten beschriebenen Biegeachsen sind solche empfindlichen senkrechten Achsen. Die Biegegelenke und ihre charakteristischen Eigenschaften sind in einem Aufsatz "How to Design Flexure Hinges" von J.M. Paros und L. Weisbord, erschienen in Machine Design, 25- Nov. 1965, Seiten I5I - 156 beschrieben. Obgleich die hier erläuterten Biegegelenke einteilig mit kardanischen Elementen, einem Antriebselement und einem angetriebenen Rotorelement ausgebildet sind, können solche Biegegelenke auch getrennt hergestellt werden, wie dies in dem angegebenen Aufsatz erläutert wird, und können zur Ausbildung des neuartigen Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung verwendet werden. Eine derartige getrennte Herstellung wird jedoch nicht bevorzugt.

Die Ausführungsform mit zwei kardanischen Elementen nach Fig. 1 weist ingesamt acht derartige Biegegelenke zur Aufhängung des Rotors, der das angetriebene Element 14 ist, an dem antreibenden

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Element 12 über ein kardanisch.es Element 18 und ein kardanisch.es Element 20 auf. Jedes kardanisch^ Element ist mit dem antreibenden Element 12 über ein Paar von Biegegelenken, die kolineare Biegeachsen aufweisen, d.h.. eine gemeinsame Biegeachse, da die beiden Achsen zusammenfallen, und mit einem Rotorelement über ein weiteres Paar von Biegegelenken, die zusammenfallende oder kolineare Biegeachsen bilden, verbunden. Bei den meisten hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen verlaufen die Längsachsen der Biegegelenke etwa parallel zueinander und zu den zusammenfallenden Rotationsachsen des antreibenden und des angetriebenen Elementes, wenn das Universalgelenk die Nullstellung einnimmt. Die Nullstellung wird weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Figur 2 definiert.

Die Geometrie des Biegegelenkes 24- ist im einzelnen in Figur 2 gezeigt. Die anderen Elemente nach, den Figuren 1 und 3 werden weiter unten erörtert.

Figur 2 ist eine Seitenansicht eines herausgeschnittenen Teiles des Universalgelenkes 10 , und zeigt das Biegegelenk 24 in einer Seitenansicht. Obgleich Figur 2 die beiden gebohrten Löcher 30 und 36, die das Biegegelenk 24· und alle zugeordneten Achsen bilden, zeigt, ist das Biegegelenk 24- selbst in dieser Seitenansicht nicht sichtbar, da sich das Gelenk 24- hinter dem angetriebenen Rotorelement 14- befindet. Das Biegegelenk 24- weist eine Biegeachse 25 auf, die in radialer Richtung von der Rotorrotationsachse 15 ausgeht und zusammen mit ihr eine Biegeebene definiert, die in vertikaler Richtung in der Darstellung nach Figur 2 orientiert ist. Das Biegegelenk 24· ist um die Biegeachse 25 nachgiebig, d.h. sie biegt sich um diese Achse oder lenkt sich um diese Achse aus. Das Biegegelenk 24- weist ferner eine Querachse auf, die die Quer- bzw. Iransversalach.se 26 ist, sowie eine Längsachse 27, welche beide senkrecht zur Biegeachse 25 verlaufen. In der Nullstellung des Universalgelenkes 10 verläuft, wie in Figur 2 dargestellt, die Achse 27 parallel zur Antriebsachse 13 und zur Rotorachse 15- Die Nullposition ist als die Gleichgewichtsposition definiert, die bei Fehlen einer WinkelverSchiebung zwischen den Achsen 13 und 15 vorhanden ist.

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Die Achsen 13 und 15 sind somit nur in der Nullstellung kolinear, bzw. fallen in der Nullstellung zusammen. Beim Kreiselbetrieb ist die Nullstellung in Abhängigkeit vom Aufhören von Winkelgeschwindigkeitseingängen um empfindliche Achsen vorhanden. Die verschiedenen Ausführungsformen sind in der Zeichnung in Nullstellung dargestellt.

Die Querachse des Biegegelenkes verläuft senkrecht zur Biegeachse und liegt in einer Ebene, die durch die Biegeachse und durch eine der unendlich vielen kürzesten Linien von einem Punkt auf einer Oberfläche zu einem Punkt auf der anderen Oberfläche des Biegegelenkes definieryL rlit anderen Worten heißt dies, daß eine solche Linie sich von einem Punkt auf einer Oberfläche des Biegegelenkes 24 zu einem Punkt auf der anderen Oberfläche des Biegegelenkes erstreckt, wenn das Biegegelenk eine minimale Dicke aufweist. Die Längsachse 27 des Biegegelenkes 24 verläuft senkrecht zur Biegeachse 25 und zur Querachse 26. Der Ausdruck "Längsachse" eines Biegegelenkes, wie er zur Beschreibung der Ausführungs· formen nach den iiguren 1-19 verwendet wird, bedeutet dabei eine Achse, die auch der folgenden Bedingung genügt: Die Längsachse liegt in der Biegeebene, die die Ebene ist, die durch die Biegeachse des Biegegelenkes und die zusammenfallenden Rotationsachsen des antreibenden und des angetriebenen Elementes definiert ist. Beispielsweise ist in den Figuren 2 und 3 die Längsachse 27 nur eine der unendlich vielen Linien, die in einer Ebene liegen, welche durch die zusammenfallenden Rotationsachsen 13 und 15 und die Biegeachse 25 definiert sind, und zusätzlich verläuft die Längsachse 27 parallel zu den Achsen 13 und 15» die die Ruhestellung einnehmen und damit zusammenfallen bzw. kolinear sind.

Ein ßehnenschnitt 28 ist eine planare Oberfläche, die durch eine flache Aussparung an der Oberfläche des Rotorelementes 14 ausgebildet ist, um die Ausbildung von öffnungen in der zylindrischen Oberfläche des Rotorelementes 14 zu erleichtern. Ein Biegegelenk 24 wird durch Paare von parallelen öffnungen oder Bohrungen 30, 36 gebildet, die Mittenlinien oder Achsen 31 j 37 aufweisen,

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welche vorzugsweise koplanar mit der Biegeachse 25 verlaufen und welche in gleicher Weise mit gleichen Abständen 41, 35 von der Längsachse 27 versetzt sind, wie die Figur 2 zeigt. Me öffnung 30 ist eine derartige Bohrung mit der Mittenlinie 31 und einem Radius 33· Die Mittenlinie 31 ist gegenüber der Längsachse 27 um den Abstand 35 versetzt. In ähnlicher Weise ist die öffnung 36 die Bohrung mit der Mittenlinie 37 und einem Radius 39. Die Mittenlinie 37 ist von der Längsachse 27 um den Abstand 41 versetzt. Der Abstand 41 ist in der Größe gleich dem Abstand 35j o^ö<3-^ock entgegengesetzt gerichtet. Somit ist die Seitenansicht des Biegegelenkes 24 ein abgesetzter Teil 42 mit einer minimalen Dicke 43. Der abgesetzte Teil 42 weist einen Querschnitt auf, der symmetrisch um die Biegeebene verläuft, wenn die Biegeebene zusammenfallende Achsen 13, 15 und die Längsachse 27 besitzt, und ist ferner symmetrisch in Bezug auf eine Querebene durch die Querachse 26. Das Biegegelenk 24 verläuft in radialer Richtung nach innen um einen Abstand, der als Funktion der gewünschten Steifheit und der Geometrie der Konstruktion ausgewählt ist. Die dreidimensionalen Gesichtspunkte des Biegegelenkes 24, der anderen Biegegelenke und anderer Merkmale des Universalgelenkes 10 ergeben sich besser aus Fig. 3> die eine auseinandergezogene Darstellung des Universalgelenkes 10 ist.

Zu Darstellungszwecken zeigt die auseinandergezogene Darstellung der Figur 3 kardanische Elemente 18 und 20, die axial in entgegengesetzten Richtungen von dem Mittelpunkt 19 der Aufhängung des antreibenden Elementes 12 und des Rotorelementes 14 versetzt sind. Die kardanischen Elemente 18 und 20 sind jeweils über zwei Biegegelenke mit dem antreibenden Element 12 und über zwei Biegegelenke mit dem Rotorelement 14 befestigt. In Figur 3 ist jede der Befestigungen zwischen den kardanischen Elementen, dem antreibenden Element und dem Rotorelement an der SGhmalsten Stelle der Biegegelenke unterbrochen dargestellt. Hierzu ist zu bemerken, daß die Zeichnung nach Figur 3 hauptsächlich zum Verständnis des Aufbaues der dargestellten Ausführungsform der Erfindung dient. In Wirklichkeit sind die kardanischen Elemente 18 und 20 räumlich durchsetzt und mit den anderen Elementen so verbunden, daß sie nicht wie in Figur 3 gezeigt getrennt werden

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können, selbst wenn die Biegegelenke unterbrochen wären, wie dargestellt. Die kardanischen Elemente 18 und 20 weisen vorzugsweise ähnliche Gestalt und Größe auf, es ist ein kardanisches Element das Spiegelbild des anderen, und sie sind um 90° um die Achsen 13 und 15 gedreht zueinander orientiert. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Seitenfläche des kardanischen Elementes 18, die normalerweise in der Querebene 21 liegt, identisch mit der Seitenfläche des kardanischen Elementes 20, die normalerweise in der Querebene 23 liegt, jedoch um 90° gegenüber ihr gedreht ist. Die Querebenen 21 und 23 sind in den Figuren 1 und 2 gezeigt.

Nachstehend werden die acht Biegegelenke betrachtet, die Sohwenkverbindungen zwischen dem Rotorelement 14- und den kardanischen Elementen 18 und 20 sowie zwischen den kardanischen Elementen 18 und 20 und dem antreibenden Element 12 darstellen. Jedes dieser acht Biegegelenke weist einen abgesetzten Teil zwischen einem Paar paralleler öffnungen auf, wie dies weiter oben in Verbindung mit Figur 2 erörtert worden ist. Aus Figur 3 ergibt sich, daß das Biegegelenk 24· sich in radialer Richtung nach innen hinter dem Sehnenschlitz 28 erstreckt und das Rotorelement 14 mit dem kardanischen Element 20 verbindet. Das entgegengesetzt angeordnete Biegegelenk 44 weist eine Biegeachse 45 auf, die kolinear mit der Biegeachse 25 ist, d.h. mit ihr zusammenfällt, und senkrecht zu den Achsen 13 und 15 verläuft. Das Biegegelnk 44 weist eine Längsachse 47 auf, die parallel zu den Achsen 13 und 15 verläuft. Die Biegegelenke 24 und 44 haben die gleichen Nachgiebigkeitseigenschaften und stellen eine Verbindung dar, die so beschrieben werden kann, daß sie eine äußere kardanisch^ Achse definiert, da sie eine jcotorbezogene Gelenkverbindung für die Schwenkbewegung des kardanischen Elementes 20 um die kolinearen, d.h. zusammenfallenden Achsen 25 und 45 bilden. Zu Darstellungszwecken sind die Achsen 25, 27, 45 und 47 in Figur 3 sowohl für den Teil des Biegegelenkes 24, der ein Teil des Rotorelementes 14 ist, als auch für den anderen Teil des Biegegelenkes 24, der ein einstückiger Teil des kardanischen Elementes 20 ist, gezeigt. Obgleich jedes

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der acht Biegegelenke eine Querachse besitzt, ist nur die Querachse 26 des Biegegelenkes 24 in Figur 3 dargestellt.

Das kardanische Element 20 ist mit dem antreibenden Element 12 über ein zweites Paar von Biegegelenken 48 und 52 verbunden, die kolineare Biegeachsen und parallele Längsachsen aufweisen. Die kolinearen Biegeachsen des Paares von Gelenken, die das kardanische Element 20 mit dem antreibenden Element 12 verbinden, sind im Winkel, zweckmäßigerweise um 90 Winkelgrade, um die Antriebsachsen 13 und 15 gegenüber den kolinearen Achsen 25 und 4-5 versetzt. Insbesondere weist das Biegegelenk 4-8 eine Biegeachse 49 und eine Längsachse 5t auf. Das Biegegelenk 52 besitzt eine Biegeachse 53? die kolinear mit der Biegeachse 49 verläuft und weist eine Längsachse 55 auf, die parallel zu den Längsachsen 51, 27 und 47 und mit den zusammenfallenden Rotations- oder Drehachsen 13 und 15 verläuft. Die Achsen 49 und 53 fallen miteinander zusammen und verlaufen im rechten Winkel zu den Achsen 25 und Die Biegegelenke 48 und 52 haben die gleichen !Nachgiebigkeit s~ eigenschaften und stellen eine Verbindung dar, die so beschrieben werden kann, daß sie eine innere kardanische Achse definiert, da sie eine wellenbezogene nachgiebige Gelenkverbindung für die Schwenkbewegung des kardanischen Elementes 20 um die kolinearen, d.h. zusammenfallenden Achsen 49 und 53 sind.

Der Schwerpunkt des kardanischen Elementes 20 liegt an der gemeinsamen Schnittstelle 19 der Biegeachsen 25, 45, 49 und 53· Bei dieser Ausführungsform wird der Schnitt der Biegeachsen des kardanischen Elementes 20 im Schwerpunkt 19 des kardanischen Elementes 20 durch eine symmetrische Form erzielt, deren Masse in gleicher Weise auf jeder Seite einer Ebene unterteilt ist, welche durch die Biegeachsen 25, 45, 49 und 53 definiert ist.

Das kardanische Element 18 ist in ähnlicher Weise mit dem Rotorelement 14 über ein Paar von Biegegelenken 56 imcL 60 und mit dem antreibenden Element 12 über ein zweites Paar von Biegegelenken 64 und 68 verbunden. Das Biegegelenk 56, das eine Biegeachse 57 und eine Längsachse 59 festlegt, ist eines der beiden Gelenke,

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die das kardanische Element 18 mit dem Rotorelement 14 verbinden. Das Biegegelenk 60, das eine Biegeachse 61 und eine Längsachse 63 festlegt, ist das andere Biegegelenk, das das kardanische Element 18 mit dem Rotorelement 14- verbindet. Die Biegeachsen 57 und 61 fallen miteinander zusammen. Die Biegegelenke 56 und 60 bilden eine rotorbezogene Gelenkverbindung für die Schwenkbewegung des kardanischen Elementes 18 um die zusammenfallenden Achsen 47 und 61, und stellen die äußere kardanische Achse dar.

Das Biegegelenk 64-, das eine Biegeachse 65 und eine Längsachse 67 definiert, und das Biegegelenk 68, das eine Biegeachse 69 und eine Längsachse 71 definiert, sind die Biegegelenke, die das kardanische Element 18 mit dem antreibenden Element 12 verbinden. Die Biegeachsen 65 und 69 fallen miteinander zusammen und sind im Winkel um 90 Winkelgrad um die Achsen 13 und 15 gegenüber den zusammenfallenden Biegeachsen 57 und 61 versetzt. Die Längsachsen 59» 63, 67 und 71 verlaufen parallel zueinander, sie verlaufen parallel zu den Längsachsen der Biegegelenke des kardanischen Elementes 20, und ferner parallel zu den Achsen 13 und 15·

Die Biegeachsen 25 und 4-5 verlaufen kolinear mit den Biege— achsen 65 und 69, d.h. sie fallen mit ihnen zusammen. In ähnlicher Weise verlaufen die Biegeachsen 57 und 61 kolinear mit den Biegeachsen 4-9 und 53·

Der Schwerpunkt des kardanischen Elementes 18 liegt ferner an der gemeinsamen Schnittstelle 19 der Biegeachsen 37^ 61, 65 und 69. Das kardanische Element 18 ist so ausgebildet, daß es ein Spiegelbild des kardanischen Elementes 20 darstellt, und hat deshalb im wesentlichen die gleiche Massenverteilung wie das kardanische Element 20.

Zusätzlich schneiden die Biegeachsen 25, 4-5, 4-9, 53» 57 > 61, 65 und 69 die Antriebsachse der Drehung 13 und die Rotorachse der Drehung 15 an einem gemeinsamen Punkt 19> so daß ein

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System von drei aufeinander senkrecht stehenden kardanischen Koordinatenachsen erhalten wird.

Die zusammenfallenden Biegeachsen einer {jeden Biege gelenkverbindung eines jeden kardanischen Elementes verlaufen im rechten Winkel zu den entsprechenden Achsen der Gelenkverbindung des anderen kardanischen Elementes. So verlaufen die zusammenfallenden Achsen 25 und 45 des kardanischen Elementes 20 im rechten Winkel zu den zusammenfallenden Achsen 57 und 61 des kardanischen Elementes 18 und die Achsen 4-9 und 53 cLes kardanischen Elementes 20 im rechten Winkel zu den Achsen 65 und 69 des kardanischen Elementes 18. Auf diese Weise ergibt sich, daß die innere kardanische Achse eines kardanischen Systems rechtwinklig zu der inneren kardanischen Achse des anderen Systems verläuft; das gleiche trifft für die äußeren kardanischen Achsen zu, und diese Bedingung ist in US-PS 3.678.764- erläutert. Vorliegende Erfindung schlägt jedoch Biegegelenke anstelle von Torsionsstäben vor. Darüber hinaus sieht vorliegende Erfindung vor, daß die BiegeeTbenen alle einen Winkel gleicher Größe mit den Spinachsen 13j Ί5 bilden. Bei der Orientierung nach der Darstellung nach Figur 3 verlaufen alle diese Biegeebenen in vertikaler Richtung, da die Biegeebene des Gelenkes 24- in Figur 2 beispielsweise durch die vertikale Linie dargestellt wird, die ferner die Achsen 27, 13 und 15 darstellt.

Des weiteren sind in Figur 3 acht mit Gewinde versehenen Öffnungen

72, 74-, 76, 78, 80, 82, 84- und 86 gezeigt. Vier dieser Öffnungen sind im kardanischen Element 18 und die anderen vier im kardanischen Element 20 vorgesehen. Jede dieser öffnungen nimmt ein zugeordnetes Gegengewicht von acht einstellbaren Gegengewichten

73, 75, 77, 79, 81, 83, 85 und 87 auf. Der Zweck dieser Gegengewichte wird weiter unten erläutert.

In Figur 3 sind zwei nebeneinander liegende Anschläge 88 und 90 dargestellt, die einteilig mit den kardanischen Elementen 18 und 20 ausgebildet sind. Es sind insgesamt vier Paare von nebeneinander angeordneten einteiligen Anschlägen vorgesehen, die die Freiheit der Winkelverschiebung des Rotorelementes 14-

relativ zum Antriebselement 12 begrenzen. In der perspektivischen

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Darstellung nach. Figur 3 sind nicht alle diese einteiligen Anschläge sichtbar. Diese einteiligen Anschläge begrenzen die Auslenkung um die Biegeachsen des Universalgelenkes. Der Hauptzweck dieser Anschläge ist, eine Beschädigung des Uni— versalgelenkes bei der Herstellung zu verhindern. An jeder Überkreuzung von kardanischen Elementen 18 und 20 ist ein Paar von nebeneinander angeordneten einteiligen Anschlägen vorgesehen, und zwar einer auf einem kardanischen Element und einer auf dem anderen kardanischen Element, wie im einzelnen in Figur 4- gezeigt. Wird der .Rotor um einen vorbestimmten Winkel ausgelenkt, liegen die Anschläge aneinander an, wodurch eine zu große Auslenkung um eine Biegeachse verhindert wird. Zwischen jedem Paar von nebeneinander angeordneten bzw. aneinandergrenzenden einteiligen Anschlägen ist ein Spalt vorgesehen, der ausreichend groß ist, damit eine Auslenkung in der Größenordnung von 20 - 30 Milliwinkelgraden um eine entsprechende Biegeachse des Gelenkes möglich ist. Die Anschläge werden nicht benötigt, um die Auslenkung des Rotorelementes 14 zu begrenzen, wenn es eine Spinbewegung ausführt, weil bei der herkömmlichen Betriebsweise eines Kreiselgerätes die Spinachse des Rotorelementes in Ausrichtung mit der Spinachse des Antriebselementes über ein (nicht dargestelltes) Servosteuersystem gehalten wird. Die einteiligen Anschläge haben jeweils die Form eines Zahnes, der den gegenüberliegenden Zahn berührt, wenn ein zu großer Winkel als Rotorauslenkwinkel erreicht ist. Bei einem Kreiselgerät mit einem Universalgelenk mit derartigen einteiligen Anschlägen kann eine andere bekannte Vorrichtung verwendet werden, um die Auslenkung um die Biegeachsen zu begrenzen, bevor die einteiligen Anschläge aneinander anliegen. Beispielsweise kann eine übliche Anschlagplatte verwendet werden, um zu verhindern, daß die einteiligen Anschläge aneinander reiben, und um eine übermäßige Auslenkung des Rotorelementes während des Betriebes des Kreiselgerätes zu verhindern. Die Herstellung der einteiligen Anschläge wird weiter unten erläutert.

In Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines lagerfreien Kreisel-

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gerätes mit Biegeaufhängung ähnlich dem in der US-PS 3.673.764 gezeigten dargestellt, mit der Ausnahme, daß das Universalgelenk 10 anstelle des Aufhängesystems des bekannten Kreiselgerätes gesetzt wurde. Das Kreiselgerät nach Figur 5 "besitzt eine Antriebswelle 104-, ein Universalgelenk 10 und ein Schwungrad 106. Das Universalgelenk 10 verbindet die Antriebswelle 104· mit dem Schwungrad 106. Das Schwungrad 106 kann mit dem Rotorelement 14- fest verbunden, z.B. verklebt sein.

Das Arbeitsprinzip des Kreiselgerätes basiert auf einer Winkelentkopplung eines eine Spinbewegung ausführenden Kreiselrotors, z.B. des Schwungrades 6, von einer Antriebswelle 104·. Um das Verständnis hierfür zu erleichtern, sei darauf hingewiesen, daß die Verbindung zwischen dem Schwungrad und der Welle ein reibungsfreies Universalgelenk ist. Bei einem solchen Universalgelenk ist eine minimale Behinderung der Winkelbewegung zwischen Schwungrad und Welle vorhanden. Zusätzlich ergibt ein solches Universalgelenk einen hohen Widerstand des Rotors gegen Translationsbewegungen in bezug auf die Welle parallel und senkrecht zur Spinachse.

Wenn das Trägheitsmoment eines jeden der kardanischen Elemente in Abhängigkeit von einer Abstimmgleichung eingestellt wird, kann der eine Spinbewegung ausführende Rotor sich frei um kleine Winkel auslenken, ohne daß Reaktionsdrehmomente auftreten. Somit wird ein im wesentlichen reibungsfreies Universalgelenk erzielt. Dies ist im einzelnen weiter unten und in US-PS 5-678.764- erläutert. Das Merkmal des trockenen, d.h. Strömungsmittelfreien, abgestimmten Rotors vermeidet alle Nachteile, die in Verbindung mit Anschlußlitzenzuführungen, der Massenstabilität, der Strahlungsempfindlichkeit, der Strömungsmittelschichtbildung, Kardandrehlagern und dgl. auftreten, wie sie allen ei* etrömungsmittelgefüllten Kreiselgeräten gemeinsam sind.

Aus Figur 1 ergibt sich, daß das Schwungrad 106 mit dem Rotorelement 14- befestigt ist, das seinerseits über die Biegegelenke

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mit den beiden kardanischen Elementen 18 und 20 "befestigt ist. Die kardanischen Elemente 18 und 20 sind mit dem antreibenden Element mittels Biegegelenken befestigt. Das empfindliche Element weist das Trägheitsrad 106 und das Universalgelenk 10 auf. Fig. zeigt, daß die Welle 104 von einem Gehäuse 108 mit einem Paar vorbelasteter Kugellager 110 abgestüt2t ist. Die Kugellager bei diesem Gerät sind nicht Teil des empfindlichen Elementes und haben deshalb keinen Einfluß auf das Massenungleichgewicht des Schwungrades 106.

Kapazitätsabgriffe, die eine Vielzahl von Platten 112 enthalten, welche in Verbindung mit dem Flansch 113 des Schwungrades 106 vier Kondensatorpaare bilden, sind zum Abfühlen der Winkelbewegung des Kreiselgehäuses relativ zum Rotorelement vorgesehen. Die abgegriffenen Signale können dann durch Drehmomentgeber in einer Servoschleife (nicht dargestellt) aufgehoben werden, wodurch zwei Achsen der Trägheitsstabilisierung oder Winkelgeschwindigkeitsmessungen erhalten werden. Die vier Kapazitätsabgriffe sind im gleichen Winkel um den Flansch 113 versetzt, und es ist in Fig. nur ein Abgriff sichtbar.

Eine Anordnung zum Aufbringen eines Wirbelstromdrehmomentes auf das Schwungrad 106 ist in Figur 5 gezeigt. Ein zweiter strom— leitender Flansch 114 ist um das Schwungrad 106 herum und auf der anderen Seite dieses Schwungrades angeordnet. Der Flansch passt in die Spalte von vier in Umfangsrichtung symmetrisch versetzt angeordneten Elektromagneten, von denen einer, nämlich der Magnet 115? in Figur 5 sichtbar ist. Jeder dieser Elektromagneten besitzt eine elektrische Spule, die so geschaltet ist, daß sie beispielsweise durch einen Qomputer oder eine Servoeinrichtung (nicht dargestellt^gesteuerter Weise erregt wird. Von diesen Spulen der Elektromagnete sind die beiden Spulen 116a und 116b in Figur 5 sichtbar. Die Elektromagnete werden auf einem mit dem Gehäuse 108 befestigten Tragarm aufgenommen. Wenn es erwünscht ist, dem Schwungradflansch 114 ein Drehmoment um eine durch den Magneten 115 uncL den diametral gegenüberliegend angeordneten Magneten gehende Achse aufzugeben, werden diese beiden

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Magnete erregt. Die Wirbel ströme, die im Flansch. 114- induziert werden, wirken mit dem J¹IuBfeld zur Erzeugung dieses Drehmomentes zusammen. Wenn es erwünscht ist, dem Flansch 114-ein Drehmoment um eine Achse aufzugeben, die durch die beiden anderen Magnete geht, werden diese anderen Magnete erregt.

Eine Isolierung gegen äußere Magnetfelder wird durch das Gehäuse 108 erzielt, das aus Stahl hoher Permeabilität besteht.

Der Spinmotor kann ein Dreiphasen- Hysterese- Synchronmotor sein, der die Welle 104-, das Universalgelenk 10 und das Schwungrad 106 mit einer gewünschten Geschwindigkeit, die die Spinfrequenz N genannt wird, antreibt. Der Spinmotor weist Statorwindungen 117, einen Hysteresering 118 und einen Steg 119 auf.

Die Schlitze und Aussparungen zwischen den beiden kardanischen Elementen, das Antriebselement im Mittelpunkt und das ringförmige angetriebene Element, wie sie in Figur 1 enthalten sind und in Figur 3 gezeigt wären, wenn diese Figur 3 nicht eine auseinandergezogene Darstellung wäre, werden so hergestellt, wie nachstehend in Verbindung mit den Figuren Λ^ιν - 19 beschrieben.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung erläutert. Das Verständnis dieser Arbeitsweise kann durch die Bezugnahme auf ein theoretisch ideales, abgestimmtes Rotorelement eines Kreiselgerätes vereinfacht werden.

Ein idealisiertes Kreiselgerät, das das Grundkonzept zeigt, kann ein Rotorelement sein, das in einem Vakuum eine Spinbewegung ausführt und das mit einer Welle durch ein unendlich nachgiebiges Gelenk befestigt ist, welches einen abgesetzten Abschnitt der Welle aufweist, wie schematisch in Figur 6 dargestellt. Ein derartiges Gelenk ist als unendlich schwach in Bezug auf Biegung anzusehen. Das die abgesetzte Welle als unendlich nachgiebig anzusehen ist, kann sie keine Drehmomente

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auf den Rotor ausüben. Wenn der Schwerpunkt des Rotorelementes im Mittelpunkt der Abstützung des Gelenkes liegt, können ferner keine Drehmomente auf den Rotor aufgrund der Beschleunigung oder Vibration aufgegeben werden. Nimmt man an, daß das Rotoreleraent in einem Vakuum betrieben wird und magnetisch vollständig abgeschirmt ist, ist keine Drehmomentquelle vorhanden. Somit kann das Rotorelement frei und ungestört eine Spinbewegung ausführen und wandert nicht aus. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Rotorachse starr in Bezug auf den Trägheitsraum bleibt. Da.- ideale Kreiselgerät würde die Steifheit Null haben. Wenn beispielsweise das Rotorelement eines perfekten, zweiachsigen Kreiselgerätes mit abgestimmtem Rotor im Winkel gegenüber der Spinachse der Antriebswelle versetzt würde, würde das Rotor-element weiter eine Spinbewegung in der neuen Position ausführen, ohne daß die Tendenz der erneuten SelbStausrichtung in Bezug auf die Wellenachse der Drehung besteht.

Eine Annäherung an dieses ideale Kreiselgerät bringt in der Praxis eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. Eine Bedingung ist, daß ein im wesentlichen unendlich nachgiebiges Gelenk vorhanden sein muß, das auch kräftig genug ist, einen Rotor gegen lineare Beschleunigungen abzustützen. Es sei davon ausgegangen, daß die abgesetzte Welle des idealen Kreiselgerätes zuerst durch ein einstückiges Universalgelenk mit wenigstens einem Paar von Kardanringen ersetzt wird, sonst aber wie in den Figuren 1 und 5 dargestellt, aufgebaut ist.

Dies würde dem Rotorelement eine völlige Winkelfreiheit erteilen, während es gegen Beschleunigung, d.h. ohne Translationsfreiheit abgestützt ist. Um Unsicherheiten in fehlerhaften Drehmomenten zu vermeiden, müssen die Schwenkverbindungen in den Universalgelenken im wesentlichen reibungsfrei sein. Derartige Schwenkverbindungen werden durch Verwendung

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elastischer Biegegelenke erzielt, die biegeempfindlich sind, anstatt herkömmliche Lager verwenden. Das praktische Gerät kann jedoch noch Fehlerdrehmomente zeigen, die "bewirken würden, daß ein Rotor sich selbst mit der Wellenachse ausrichtet, wenn er vorher gegenüber der Wellenachse der Drehung verschoben worden ist.

Ein solches unerwünschtes Fehlerdrehmoment würde entstehen, wenn die Richtung der Spinachsen des Rotorelementes und der Antriebselemente nicht zusammenfallen, falls das Kreiselgerät einen gefesselten Zustand einnimmt.

Eine derartige Fehlausrichtung tritt beispielsweise auf, wenn keine Versetzung in den Abgriffen verwendet wird, um die Orientierung der Spinachse des Rotors anzuzeigen. Nimmt man an, daß andere auf den Rotor einwirkende Drehmomentquellen fehlen, würde eine Versetzung in den Abgriffen eines gefesselten Kreiselgerätes ein Ausbiegen der Biegegelenke ergeben. Ein Ausbiegen der Biegegelenke wiederum würde ein Drehmoment auf das Rotorelement ergeben und versuchen, das Rotorelement mit der Antriebswelle auszurichten. Da das Rotorelement ein Winkelmoment besitzt, würde dieses Drehmoment den bekannten Effekt der Präzession der Spinachse des Rotorelementes in einem Konus ergeben. Dieses Drehmoment, das durch die Biegegelenke erzeugt wird, ist als phasengleiche Steifheit bekannt.

Wenn die Spinachsen des Rotorelementes und der Antriebswelle nicht ausgerichtet sind, muß jedes kardanisch« Element nach rückwärts und vorwärts vibrieren, um die Relativbewegung aufzunehmen. Da ein kardanisches Element eine endliche Masse und ein endliches Trägheitsmoment besitzt, muß es von Drehmomenten beaufschlagt werden, damit diese Bewegung erzielt wird, und diese Drehmomente werden teilweise durch Reaktionen auf die Antriebswelle und teilweise durch Reaktionen auf das Rotorelement erzeugt. Die Reaktionsdrehmomente auf das Rotorelement ergeben einen Kompensationsmechanismus. Mathematisch sind diese Drehmomente der kardanischen Elemente identisch

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einer negativen phasengleichen Steifheit. Sie können so eingestellt werden, daß das Rotorelement eine PräzeSsionsbewegung in einem Konus ausführt, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur PräzessLonsbewegung, die durch die Biegewirkung der Biegegelenke erzeugt wird. Eine Einstellung der kardanischen negativen Steifheit zur Aufhebung der positiven Torsions- Federsteifheit bei einer bestimmten Spingeschwindigkeit des Rotors ist als "Abstimmen" des Kreiselgerätes bekannt. Die Bedingungen für die Abstimmung eines lagerfreien Kreiselgerätes mit einem einzigen, zwischengeschalteten Kardanring, der zwischen einem Rotor und einer Welle aufgehängt ist, sind in einem Aufsatz "Dynamically Tuned Free Rotor Gyroscope", erschienen in Control Engineering, Juni 1964·, Seiten 67 - 72 beschrieben.

Die Steifigkeit dieser negativen Feder wird durch die Trägheitsmomente der Kardanelemente bestimmt. Der allgemeine Ausdruck für das Drehmoment ergibt sich durch die Steifheit der negativen Feder:

Dynamische Steifheit für

jeden Kardanring « Έ (C-A-B)

wobei N « die Spinfrequenz und A, B und C « die kardanischen Haupttragheitsmomente um die Biegeachsen und um die Spinachse. Die Größe der effektiven Steifheit bzw. Federkonstante ist somit proportional dem Trägheitsmoment des Kardanelementes um die Spinachse, vermindert um die Trägheitsmomente um die beiden Schwenk-, d.h. Biegeachsen. Wenn das Kardanelement unendlich dünn wäre, würde dieser Ausdruck gegen Null gehen, da die negativ Federkonstante proportional der Höhe des Kardanelementes in Richtung der Spinachse ist. In der Praxis sind die positiven Federkonstanten der einzelnen Biegegelenke vorzugsweise einander innerhalb einer Genauigkeit von etwa 5% angepasst, und die effektive Höhe eines jeden Kardanelementes wird mit Hilfe von Einstellschrauben eingestellt, so daß die gesamte Steifheit bzw. Federkonstante im wesentlichen Hull ist.

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J? "ir ein Kreiselgerät im freien Betrieb (nicht gefesselt ^bewirkt eine direkte, d.h. phasengleiche, nutzbare Steifheit bzw. Federkonstante eine Nutation des Rotors (eine langsame Konusbewegung) direkt proportional dem Betrag, um dem die Rotorachse von der Spinachse versetzt ist. Beispielsweise ergibt sich eine gleichphasige Steifheit bzw. Federkonstante, wenn die Spinfrequenz unterschiedlich von der abgestimmten Frequenz der kardanischen Aufhängung ist, d.h., wenn die Aufhängung nicht exakt abgestimmt ist. Es wird ein Drehmoment um die gleiche Achse wie die Anfangsverschiebung erzeugt, was wiederum bewirkt, daß der Rotor eine jfräzefisLonsbewegung um eine Achse rechtwinklig zur Verschiebungsachse ausführt. Da keine Energieableitung in dieser Feder auftritt, kehrt die Rotorspinachse nicht zu der Wellenspinachse zurück, sondern fährt fort, eine Präzesäonsbewegung in einem Konus um die Wellenachse durchzuführen.

Die Größe der gleichphasigen Steifheit bzw. Federkonstante für Verstimmungsbedingungen isti

0/0 - ( 4 N)/F_m

wobei Δ W die Differenz zwischen deν abgestimmten Frequenz und der tatsächlichen Spinfrequenz und F die Güteziffer ist. F für ein bestimmtes Gerät ist gleich HE/K™» wobei H das Winkelmoment des Rotors, H die Spinfrequenz und K^ die Summe aller Federkonstanten der Gelenkaufhängung ist. Eine nutzbare, gleichphasige Federkonstante aufgrund der Verstimmung wird dadurch eliminiert, daß die Trägheitsmomente der kardanischen Elemente in der weiter unten angegebenen Weise eingestellt werden. Das Universalgelenk nach vorliegender Erfindung kann in einem Kreisel verwendet werden, der weitgehend Fehlerdrehmomente eliminiert, die aufgrund der Gleichrichtung von Vibrationen stehen, welche bei einer Frequenz auftreten, die gleich der doppelten Spinfrequenz des Rotorelementes ist. Derartige gleichgerichtete Fehlerdrehmomente können auch weitgehend dadurch eliminiert werden, daß die Trägheitsmomente der Kardanelemente eingestellt werden. Kugellager, die zur Lagerung der Welle verwendet wurden, ergeben Vibrationen- mit. Harmonis.cJp.en der Spinfrequenz. Wenn

bUi}oo4/Uob /

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keine kompensierenden Einstellungen vorgenommen werden, richten Kreiselgeräte mit abgestimmtem Rotor solche Vibrationen bei der doppelten Spinfrequenz gleich. Der Effekt kann erheblich sein, insbesondere in der Größenordnung von 5⁰ZhTZs¹S¹G der Vibrationsamplitude bei einer Frequenz vom Doppelten der Spinfrequenz, wenn keine Kompensation erfolgt.

Um dies zu erläutern, wird auf ein Beispiel hingewiesen, bei dem die Biegegelenke längs einer Achse eines Kardanelementes verhältnismäßig steif im Vergleich zu Biegegelenken längs der anderen Achse des Kardanelementes sind. Wenn das Kreiselgerät einer Winkelvibration ausgesetzt wird, müssen die Gelenke um einen Wert gleich der Amplitude der Vibration auslenken bzw. sich ausbiegen, so daß ein direktes Federdrehmoment auf das Rotorelement erzeugt wird. Normalerweise ergeben diese Fedei¹-drehmomente gemittelt über jeden Vibrationszyklus den Wert Null, jedoch nicht im Falle einer synchronen Vibration bei der Frequenz 2N, d.h. beim Doppelten der Spinfrequenz. Im schlimmsten Fall biegen die positiven Halbzyklen der Winkelverschiebung ein steifes Biegegelenk, während die negativen Halbzyklen ein schwaches, d.h. weniger steifes Biegegelenk biegen. Das Ergebnis ist ein auf das Rotorelement einwirkendes mittleres Drehmoment. Für Biegegelenke kann dieser Einfluß praktisch durch sorgfältige Anpassung der Federkonstanten der Biegegelenke eliminiert werden.

Die negative dynamische Federkonstante, die durch die Bewegung der Kardanelemente hervorgerufen wird, ist in hohem Maße asymmetrisch. Um dieses Phänomen vollständig zu erläutern, sei angenommen, daß eine Winkeleingaberate, d.h. die Geschwindigkeit, dem Gehäuse des Instrumentes aufgegeben wird. Das auf das Rotorelement zu einem beliebigen Zeitpunkt übertragene Drehmoment ist eine Funktion der Position des Rotorelementes in diesem Zeitpunkt. Für ein einzelnes Kardanelement ergibt sich, daß das Kardanelement gezwungen wird, der Wellenwinkelrate zu folgen, wenn die wellenbezogene Biegeachse rechtwinklig zur Richtung der Eingabegeschwindigkeit oder -rate verläuft, jedoch nicht

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gezwungen wird, der Welle zu folgen, wenn sie in dieser Richtung liegt, und zwar aufgrund der geringen Steifigkeit, d.h. des geringen Widerstandes gegen Verbiegen. Dann wird das Rotorelement wechselweise mit hohen gyroskopisehen Drehmomenten "beaufschlagt, wenn die Eingabewinkelrate quer zu der "harten" Achse des Kardanringes wirkt, es erfolgt jedoch keine Beaufschlagung mit hohen gyroskopischen Drehmomenten, wenn die Eingabewinkelrate auf die "weiche" Achse wirkt. Wenn eine Bedingung so getroffen werden kann, daß die hohen Winkelgeschwindigkeiten in einer Richtung auftreten, wenn eine starke gyroskopische Kopplung mit dem Rotor vorhanden ist, für die hohen Winkelgeschwindigkeiten in der entgegengesetzten Richtung die übertragenen Drehmomente jedoch schwach sind, ergibt sich eine nutzbare Gleichrichtung zugunsten der Richtung hoher Kopplung. Diese Bedingung gilt nicht für Winkelvibrationseingaben bei der doppelten Spinfrequenz, und nur bei dieser Frequenz. Eine Analyse hat jedoch ergeben, daß dieser Gleichrichtungseffekt von den Drehmomenten aufgehoben wird, die dem Rotorelement durch ein in geeigneter Weise angepasstes zweites Kardanelement aufgegeben werden, das rechtwinklig zu dem ersten befestigt ist, oder durch zweite und dritte Kardanelemente, die im gleichen Winkel um die Spinachse von dem ersten Kardanelement versetzt sind und so angepasst sind, daß sie in wirksamer Weise die Drehmomentvektoren der drei Kardanelemente aufheben, usw. für Universalgelenke mit vier oder fünf Kardanelementen.

Berücksichtigt man dies, weist das Universalgelenk nach vorliegender Erfindung wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete Kardanelemente auf, deren kardanisch« Trägheiten so eingestellt sind, daß sie eine Aufhebung der Federkonstanten und eine Aufhebung der Drehmomente aufgrund von Vibrationen um gehäusebezogene Eingabeachsen bei doppelter Spinfrequenz ergeben. Jedes der Kardanelemente richtet eine 2N-Vi-bration gleich, die Gleichrichtungsdrehmoraente sind jedoch gleich und

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entgegengesetzt gerichtet, vorausgesetzt, daß die Kardanelemente für diese charakteristische Eigenschaft sorgfältig angepasst sind. Die Anpassung wird mit den gleichen Abgleichgewichten erzielt, die zur Abstimmung des Kreisels auf die Null-Federkonstante bei der Betriebsfrequenz verwendet werden.

Nachstehend wird auf die Lehre nach der US-PS 3.678.764· eingegangen und es werden die Bewegungsgleichungen eines solchen Kreisels, die Abstimmbedingungen und die Bedingungen für die Unterdrückung von Fehlern, die durch aufgebrachte Drehmomente mit der Frequenz 2N auftreten, erläutert.

In Figur 7 ist ein vereinfachtes Diagramm des Rotors 120, der Welle 122 und des Kardanelementes 124· dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Erläuterung und Darstellung der Gleichungen Koordinatenachsen vorgesehen sind. In ähnlicher Weise ist in Figur 8 ein vereinfachtes Diagramm des ßotors 120, der Welle 122 und eines anderen Kardanelementes 126 mit Kardanachsen dargestellt, die die Erläuterung vereinfachen und die zu vereinfachten Gleichungen führen. Die Koordinatenachsen sind wie folgt definiert:

Ein rechtsdrehender Satz von orthogonalen Koordinatenachsen X, X, Z ist auf dem Traggehäuse definiert (in den Figuren 7 und 8 nicht dargestellt).

In der drehbaren Welle 122 ist ein rechtsdrehender Satz von orthogonalen Koordinatenachsen x, y, ζ definiert, wobei die Koordinate ζ mit der Koordinate Z des gehäusebezogenen Satzes von Koordinaten X, Ϊ, Z zusammenfällt. Die x-, y- Koordinaten laufen mit der Welle 122 um und legen eine Ebene fest, die rechtwinklig zur Antriebswellenachse ζ liegt.

Ein rechtsdrehender orthogonaler Satz von Koordinaten x·,, y,, z, ist in dem Kardanelement 124 definiert, wobei die x-, - Achse mit der x-Achse der Welle 122 zusammenfällt, wie insbesondere in Figur 7 gezeigt.

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Eir rechtsdrehender orthogonaler Satz von Koordinaten x^, y_?, Zp ist in dem Kardanelement 126 definiert, wie insbesondere in Figur 8 gezeigt, wobei die y^-Achse mit der y-Achse der Welle 122 zusammenfällt.

Ein rechtsdrehendes orthogonales System von Koordinaten χ', y¹, z¹ ist, wie insbesondere in den Figuren 7 und 8 gezeigt, auf dem Rotor 120 definiert, wobei die x'-Achse mit der x_o-Achse zusammenfällt. Die y'-Achse fällt mit der y-, -Achse zusammen.

Die Pederkonstanten der Federn, die die Wolle 122 und den Kardanring 124 längs der x-, x-,- Achsen verbinden, sind mit K' , und K¹' bezeichnet. Die Federkonstanten der Federn, die die Welle 122 und den Kardanring 126 längs der y-, y-Achsen verbinden, sind mit K' ^ uncL K" ^ bezeichnet. Die Federkonstanten der Federn, die den Kardanring 124 mit dem Rotor 120 längs der y-,-Achse verbinden, sind mit K' _ und K" _ bezeichnet. Die Federkonstanten der Federn, die das Kardanelement 126 und den Rotor 120 längs der Xp-Achse verbinden, sind mit K' „ und K¹' bezeichnet.

In den folgenden Gleichungen ist K die gesamte positive Federkonstante, die längs der x-Achsen wirkt, und K die gesamte positive Federkonstante, die längs der y-Achsen wirkt:

^K'yi ^{+ K}"yi ^{+ K}'y2 ^{+ K}"

y2

Der Dämpfungskoeffizient D , ist für das Kardanelement 124-für die Drehung um die x-,-Achse definiert. Der Dämpfungskoeffizient D-, ist für das Kardanelement 124 für die Drehung um die y,-Achse definiert. In ähnlicher Weise sind die Dämpfungskoeffizienten D ρ und Dp für das Kardanelement 126 für die Drehung um die Xp- und die y₂ — Achsen definiert. In den folgenden Gleichungen ist angenommen, daß die Dämpfungs-

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koeffizienten Null sind. vie Wirkung eines Dämpfungskoeffizienten besteht darin, die Zeitkonstante der Einrichtung zu verkürzen. Der Wert des Dämpfungskoeffizient.-n mu£ somit klein genug gehalten werden, damit er nicht die Arbeitsweise der Einrichtung beeinflußt.

Die Hauptträgheitsmomente für das Kardanelement 124- sind mit A,, B,, C, um die x,-, y-i-i z-,-Achsen definiert. Die Hauptträgheitsmomente für das Kardanelement 126 sind als Ap, U^-, C um die Xp-, 7o~"> Zp-Achsen definiert. Wegen der Symmetrie der Kardanelemente 124 und 126 und des Rotors 120 sind die Produkte der Trägheitsmomente Null.

Die Hauptträgheitsmoment^ für den Rctor 120 sind als A, B, 0 um die x'-, y'-, ζ'-Achsen definiert.

Die Figuren 9 und 10 sind Diagramme, die die Beziehung zwischen den gehäusebezogenen Koordinaten X, X, Z und den rotorbezogenen Koordinaten x, y, ζ zum Zweck der Erläuterung der Auflösung von Winkeln, Winkelgeschwindigkeiten und Drehmomenten zeigen, die um die gehäusebezogenen Achsen X, X in die rotorbezogenen Achsen x, y, ζ aufgegeben werden. Die Winkelgeschwindigkeit; der Welle ist die Spinfrequenz N. Die Winkelgeschwindigkeiten, die dem Gehäuse senkrecht zur Z-Achse aufgegeben werden, können in die Komponenten 0γ und 0y um die gehäusebezogenen Achsen X und X aufgelöst werden. Die Winkelgeschwindigkeiten 0γ und jZL- können dann in Winkelgeschwindigkeiten um die gehäusebezogenen Achsen x, y, ζ aufgelöst werden. In ähnlicher Weise kann das auf die Kardanelemente (oder den Rotor) von dem Gehäuse um eine Achse senkrecht zur Z-Achse wirkende Drehmoment in Komponenten Κ_χ und Ky- um die X- und X-Achsen aufgelöst werden. Die M^- und Ιίγ- Komponenten können um die gehäusebezogenen Achsen χ und y aufgelöst werden.

Die Spinachse z^? des Rotors 120 muß nioht notwendigerweise mit den Achsen ζ und Z zusammenfallen. Der- Rotor 120 kann als im Winkel relativ zur Welle 122 um die x- und y-Achsen versetzt betrachtet werden. Die Winkelverschiebungen des Rotors 120

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relativ zur Welle 122 um die x- und y-Achsen der Welle 122 sind mit θ_χ "^nd O bezeichnet.

Für die vorstehenden Definitionen sind die Bewegungsgleichungen des Rotors 120 relativ zur Welle 122:

(A + A₁) O_x + |κ_χ + IT² ( G + C₁ - B - B₁)) 9_χ +

Ή (C - A - B) Q - - (A + A,) I "L· cos Nt + 0 sind Ht J + N (C+ G₁ + A - 3 + A₁ - B₁) ί #_χ sin Ht - #_χ cos lit ) +

iw cos Nt + M sin Nt

^A y

(B + A₂) 0_y + ( K_y + N² ( C + C₂ - A - B₂) j Q_y -

Ii (C - A - B) θ_χ - + (B + A₂) ( 0_χ sin Nt - 0_χ cos Nt ) + N (C + C₂ + B - A + A₂ - B₂) j '0_Σ cos Nt + #_T sin Nt ] Μ_χ sin Nt + M cos Nt

Aus diesen Gleichungen ergibt sich, daß dann, wenn die Federkonstanten und die Trägheitsmomente eingestellt sind, der Rotor im wesentlichen als freier Rotor wirkt, während gleichrichtende Drehmomente von dem Rotor eliminiert werden, die durch Oszillationen mit der doppelten Spinfrequenz N verursacht werden. Die allgemeinen Bedingungen für solche Einstellungen sind!

/IJ

- A K ί J + (A + B - C) J E _ H² (A + B - C)

(3)

für die Gleichrichtungsunterdrückung, und

J - £_o - (A + B - C) +(A + B - C) I₁^ (AKtU² AJ) ² |i/2 (4) ^N I "V(A ₊ B-O)²

für eine perfekte Abstimmung, wobei

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Vp 8155

J - 1/2 '
Δ J - 1/2 [

	. -32-	O2) O2)	+ (A - (A	8.	April	75	W/We	2525530
ro ro	.B2- HB2-	K	+ Ky	1 1	+ Bi-	°1>	\ 1	(5) (6)
K	- 1/2		-£y	1				(7)
ΛΚ	« 1/2		J				(8)

und N gleich der Winkelgeschwindigkeit der Welle 122 in Bogenwinkel/sec. ist.

Für ein praktisches Gerät gilt

λ K/K c < 1 und (A + B - C) O J (9)

Deshalb lassen sich die Gleichlingen (3) und (4-) in guter Annäherung reduzieren auf:

-\J = K/N² (10)

J £ K/N² (11)

Eine Umstellung der Gleichungen (1O) und (11) und ein Ersatz der Gleichungen (5)> (6), (7) und (8) ergibt die folgenden Gleichungen:

(K_x - KhB² (A₂ + B₂-C₂-A₁-B_{1 +} C₁) (12)

für eine 2N-Gleichrichtungsunterdrückung, und

K)'- N² (A₁ + A₂ + B₁ + B₂ - C₁ - C₂) (13)

Durch Addieren der Gleichungen (12) und (13) ergibt

sich ο

K_x - N^ (A₂ + B₂- C₂)

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und durch Subtrahieren der Gleichungen (12) und (13) die Gleichung

K . _H2 (A_{1 +} B₁ - O₁) (15)

I¹Ur einen gegebenen Satz von Federn rait iederkonstanten K und K entsprechend der Definition in Gleichung (1) ist es möglich, die Trägheitsmomente der Kardanelemente durch Abgleichgewichte so einzustellen, daß die gewünschten Bedingungen sowohl für die einwandfreie Abstimmung als auch f*'r die NuIl-2N-Gleichrichtung erzielt wird.

Wird die vorstehende Analyse bei einer praktischen Ausführungsform angewendet, kann der Rotor 120 als das dynamische Äquivalent des Rotorelementes 14- und des Schwungrades 106 angesehen werden. In ähnlicher Weise kann die Welle 122 als das dynamische Äquivalent des Antriebselementes 12 und der Welle 104 angesehen werden.

Bei der Auslegung der Ausführungsform des Universalgelenkes gemäß vorliegender Erfindung nach den figuren 1-5 werden eine Anzahl von Parametern berücksichtigt. Zu Zwecken der Erläuterung können diese Konstruktionsparameter in folgende Gruppen eingeteilt werden; Konstruktionsauswahl, Trägheitscharakteristiken der Mehrfachkardanelemente, Steifheit der Biegegelenke, die kardanisch^ Elemente mit dem Rotorelement und dem Antriebselement verbinden, und Geometrie des Aufhängungssystems der Kardanelemente und 3iegegelenke.

Mit bei der ersten Auswahl für die Konstruktion ist die Auswahl eines Materiales, aus welchem das einstückige üniversalgdenk hergestellt werden soll. Dieses Material soll eine niedrige Hysterese besitzen. Die Verwendung eines Materiales mit niedriger Hysterese trägt dazu bei, die durch Oszillationen und die Biegeachsen verursachte Dämpfung so gering wie möglich, zu halten.

Eine weitere grundsätzliche Auswahl bei der Konstruktion ui:d " 509884/0357

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der Herstellung eines Kreisels mit dem Universalgelenk: nach, vorliegender Erfindung ist die Auswahl der Spindrehzahl des Hotors, der die Welle und das Schwungrad antreibt. Die Auswahl einer Spindrehzahl ist auf spezifische Konstruktionen für diese rotierenden Elemente eines Kreisels bezogen und ist nicht Teil vorliegender Erfindung. Zu Zwecken der folgenden Erläuterung sei angenommen, daß eine entsprechende Spindrehzahl des Kreisels ausgewählt worden ist.

Es wird ferner davon ausgegangen, daß das Schwungrad kein Massenungleichgewicht und kein radiales Ungleichgewicht besitzt, oder daß es so eingestellt werden kann, daß derartige Ungleichgewichte beseitigt v/erden.

Es gibt zwei aufeinander bezogene KoLStruktionsparameter, die betrachtet werden sollen, um einen abgestimmten Zustand (d.h. eine Aufhebung der Federkonstanten des Aufhängungssystems) und eine Aufhebung konstanter Drehmomente, die auf den Äotor wirken und durch Gleichrichtung von Vibrationen der Welle erzeugt v/erden, Vielehe bei der doppelten Spinfrequenz auftreten, zu erzielen. Die Bedingungen, um eine einwandfreie Abstimmung und auch eine Null-2N-Gleichrichtung zu erreichen, sind in den gleichungen (14·) und (15) angegeben. Die Bedingungen der Gleichungen (14-) und (15) werden dadurch erfüllt, daß Abgleichgewichte eingestellt werden, die die 'Trägheitsmomente der Kardanelemente verändern. Die Auswahl der gleichen Trägheitsmomente der Kardanelemente und die Steifheit für die Biegegelenke bringen den Bereich der Abgleicheinstellung, der zur Erzielung dieser beiden Bedingungen erforderlich ist, auf ein Minimum.

liach einem weiteren Konstruktionsparameter sind die radiale und die axiale Steifheit des Universalgelen~:es 10 vorzugsweise etwa gleich. Verschiedenheit der Elastizität der Aufhängung (d.h. im wesentlichen ungleiche Steifheit) in den radialen und axialen Richtungen ergibt ein Drehmoment auf den Rotor, wenn Beschleunigungen längs sowohl der Spinachse als auch der Eingangsachsen gleichzeitig wirksam werden. Beispielsweise ergibt

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sich eine gleiche Elastizität der Aufhängung dadurch, daß die U-förmigen Abschnitte der Kardanelemente 18 und 20 (Fig. 3) so dick gewählt werden, daß die axiale Nachgiebigkeit gleich der radialen Nachgiebigkeit wird.

Uach dein nächsten Konstruktionsparameter ist der Schwerpunkt der Kardanelemente vorzugsweise der Aufhängungsmittelpunkt des Universalgelenkes. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, trägt das Universalgelenk zum Iiassenungleichgewicht der Spinachse und zu einem radialen Ungleichgewicht des kombinierten Üniversalgelenkes und des Schwungradsystems bei. Hierzu sei nochmals erwähnt, daß angenommen wurde, daß das Schwungrad sowohl in radialer als in axialer Richtung abgeglichen ist. Uie Einfachheit der Erzielung dieses Konstruktionsparameters ist einer der maßgeblichen Vorteile des Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung. Weil das Universalgelenk nach der Erfindung aus einem einzigen Stück Material hergestellt ist, kann der Aufhängungsmittelpunkt mit sehr feinen 'Toleranzen '.inter Verwendung üblicher Bearbeitungstechniken erzielt werden. Bei der Ausführungsform des Universalgelenkes nach den 5¹Ig. ^Λ - 5 wird der Massenmittelpunkt durch eine symmetrische Konstruktion erreicht und kann in axialer Hichtung mit ΙίίΙΛ-* - . :^r: Kardangegengewichten eingestellt werden.

Hach einem anderen Konstruktionsparameter für Ausführungs— formen mit zwei Kardanelementen ist die Achse eines Kardanelemente s im Winkel gegenüber der Spinachse um 90 relativ zur entsprechenden Achse des anderen Kardanelementes versetzt. Beispielsweise sind die koinzidenten Biegeachsen 49 und 53 der rotorbezogenen Biegegelenke 48 und 52 in Figur 3» cLie eine Biegeachse, nämlich die innere Kardanachse des Kardanelementes 20 definieren, vorzugsweise 90° gegenüber den koinzidenten Biegeachsen 65 und 69 der rotorbezogenen Biegegelenke 64 und 68, die die innere Kardanachse des Kardangelenkes 18 definieren, versetzt. Die Einfachheit der Erzielung dieses Konstruktionsparameters ist ebenfalls eines der Hauptvorteile des Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung. Weil das Universalgelenk aus einem einzigen Stück Material hergestellt ist, kann

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die Winkelversetzung der Biegeachsen exakt mit herkömmlichen Bearbeitungstechniken vorgenommen werden. Eine Abweichung von der rechtwinkligen Zuordnung zwischen der Biegeachse eines Kardanelementes relativ zur Biegeachse des anderen Kardanelementes ergibt einen Effekt, der als Winkel- oder Rotationsquadratur für Vibrationen bei der doppelten Spinfrequenz bekannt ist. Dieser Effekt ist eine Vorspannverschiebung, die bei Winke!vibrationen der doppelten Spinfrequenz auftritt, welche durch Einstellungen von Trägheitsmomenton allein nicht vollständig beseitigt werden können. Das Drehmoment wird Quadratur genannt, weil es mit 90° gegenüber dem Drehmoment wirkt, das erzeugt wird, wenn die Trägheitsmomente des Kardanelementes nicht nach den Gleichungen (14) und (15) eingestellt werden. Dieses Drehmoment, das in Quadratur wirkt, tritt aufgrund der fehlenden rechtwinkligen Anordnung zwischen den Befestigungsachsen der Kardanelemente auf.

Bei einem weiteren Konstruktionsparameter schneiden die Biegeachsen der Kardanelemente einander vorzugsweise. Beispielsweise schneiden die kolinearen Biegeachsen 49 und 53 die kolinearen Biegeachsen 25 und 4-5. Die Einfachheit der Erzielung dieses Konstruktionsparameters ist ebenfalls ein wesentlicher Vorteil des Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung. Eine Schrägstellung der Biegeachse, die als die Bedingung definiert ist, daß keine gemeinsame Ebene vorhanden ist, ergibt eine unterschiedliche Pendelung des Rotors um eine Achse des Universalgelenkes relativ zu der der anderen Achse. Diese Trennung der Achsen bewirkt, daß eine Vorspannverschiebung für eine lineare Vibration auftritt, die längs der gehäusebezogenen Eingangsachsen bei der doppelten Spinfrequnz wirkt. Es ist möglich, den nachteiligen Einfluß der Schrägstellung durch Einstellung auszuschalten, wie dies beispielsweise in US-PS 3.538.776 erläutert ist. Die weitgehend vollständige Erzielung dieses Konstruktionsparameters des Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung macht jedoch solche Einstellungen praktisch nicht erforderlich. Wenn eine derartige Verschiebung in dem Universalgelenk nach vorliegender Erfindung auftritt, kann sie dadurch eliminiert werden, daß die Schwerpunkte der Kardanelemente differentiell dadurch eingestellt werden, daß die Position

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ihrer Gegengewichte eingestellt wird. Jede Verringerung des Wertes der Einstellung der Kardanpendelung, die zur Aufhebung dieser Fehlerquelle benötigt wird, ist günstig. J?ür einen gegebenen Einstellbereich der Gegengewichte in den Kardanelementen bedeutet ein verringerter Bedarf zur Eliminierung der Kardanpendelung bei der doppelten Spinfrequenz, daß ein größerer Anteil des Bereiches von Einstellungen für andere Zwecke zur Verfügung steht.

Nach einem weiteren Konstruktionsparameter stehen die beiden Biegeachsen eines jeden Kardanelementes vorzugsweise rechtwinklig aufeinander. Stehen sie nicht rechtwinklig aufeinander und ist eine Schrägstellung vorhanden, ergibt sich eine Vorspannverschiebung proportional den stetigen Beschleunigungen in einer radialen Richtung, da ein Drehmoment um die gleiche Achse wie die aufgebrachte Beschleunigung auftritt. Dieser Effekt wird "Quadraturungleichgewicht" genannt, weil das Drehmoment aus dieser !Fehlerquelle rechtwinklig zu einem Drehmoment

steht, das sich aus dem Massenungleichgewicht ergibt. Ein mit

Kreiselgerät/entweder einem Quatratur- Ungleichgewicht oder einem Massen- Ungleichgewicht spricht auf Schwerkraft oder Beschleunigungen an, die rechtwinklig zur Spinachse wirksam werden.

Das Quadratur- Ungleichgewicht kann auch nicht nur durch Abweichung der rechtwinkligen Anordnung zwischen der rotorbezogenen Biegeachse und der wellenbezogenen Biegeachse eines jeden Kardanelementes verursacht werden, sondern auch durch eine Schrägstellung in der oben erörterten Weise in Verbindung mit einer Abweichung von der rechtwinkligen Anordnung entsprechender Achsen der beiden Kardanelemente.

In den Figuren 11 und 12 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit drei Kardanelementen dargestellt. Das Prinzip nach vorliegender Erfindung gilt jedoch allgemein und die Konstruktion der Kardanelemente kann sich in weitem Maße ändern.

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Beispielsweise kann die Form der Kardanelemente verändert werden, Kardanelemente brauchen nicht symmetrisch ausgebildet zu sein, Kardanelemente können einander überkreuzen oder auch nicht, die Kardanelemente brauchen nicht in gleichem Winkel versetzt zu sein, und sie brauchen auch keine identischen Trägheitsmomente aufzuweisen.

Die Figuren 11 und 12 zeigen drei Kardanelernente, die in gleichen Winkel um eine Drehachse versetzt, d.h. verteilt sind, wobei jedes Kardanelement einen Winkel von 90° um diese Achse umspannt. Figur 11 ist eine Aufsicht von einer Seite und zeigt im wesentlichen das Rotorelement des Universalgelenkes, Figur ist eine Aufsicht von der anderen Seite, die ebenfalls das Antriebselement des Universalgelenkes zeigt=

Das Universalgelenk 200 nach den Figuren 11 und 12 ist ein einstückiges Universalgelenk, das nach den Grundsätzen des Verfahrens vorliegender Erfindung hergestellt ist und das ein im wesentlichen sternförmiges Antriebselement 202, welches drei in radialer Richtung von einer gemeinsamen Nabe ausgehende Arme, die drehbar um eine Achse 2OJ befestigt sind, ein Rotorelement 204 mit einer Rotationsachse 205, drei identische Kardanelemente 206, 208 und 210, und sechs Biegeelemente aufweist, die jeweils zwei in radialer Richtung getrennte, eine gemeinsame Biegeachse definierende Teile besitzt. Das Antriebselement 202 weist eine Bohrung zur Aufnahme einer Antriebswelle (nicht dargestellt) auf. Das Universalgelenk 200 kann in einem abgestimmten Kreiselgerät, z.B. dem Kreiselgerät nach Figur 5j verwendet werden. Mit anderen Worten kann die Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 anstelle des Universalgelenkes 10 nach den Figuren 1, 2 und 3 in einem solchen Anwendungsfall , der den oben erwähnten und im abgestimmten Kreiselgerät nach Figur 5 gezeigten Anwendungsfall mit einschließt, ersetzt werden. Das Universalgelenk 200 wird nach den weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Ausführungsform nach den Figuren 14 - 19 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Bei der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 sind die

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drei Kardanelemente 206, 208, 210 jeweils mit dem Antriebselement 202 über ein Biegegelenk eines Biegegelenkpaareε und mit dem Hotorelement 204 über das andere Biegegelenk des Paares verbunden. Die Biegegelenke des Universalgelenkes 200 sind von der gleichen Art wie die Biegegelenke des Universalgelenkes 10, wobei jedes Biegegelenk eine Biegeachse und eine Längsachse definiert. Bei dieser Ausführungsform weist ferner jedes Biegegelenk ein Paar von abgesetzten Teilen im Material auf. Jedes Biegegelenk wird in der Weise ausgebildet, daß ein Paar von parallelen Löchern in gleicher Weise wie für das erste Ausführung sb ei spiel nach den Figuren 1-5 beschrieben vorgesehen werden. Das Biegegelenk, das von dem Material zwischen dem Paar benachbarter paralleler Löcher geformt wird, wird dann in zwei radial getrennte Teile während des Herstellvorganges durch einen Schnitt mit Hilfe einer Elektrofunk~enmaschine geteilt. Dieser Trennschnitt wird weiter unten näher erläutert.

Die Biegegelenke des Universalgelenkes 200 nach der Ausführungsform nach den Figuren 1-5 und anderer Ausführungsformen nach vorliegender Erfindung können dadurch hergestellt werden, daß parallele Löcher gebohrt werden, oder daß die Technik der Elektrofunkenbearbeitung (Elektro-eroaon) oder eine andere hierfür geeignete Technik zur Anwendung kommt. De.? Querschnitt eines jeden Loches braucht nicht ein voller Kreis zu sein, wenn die Elektrofunkentechnik angewendet wird. Auch braucht die Krümmung einer jeden der beiden Oberflächen des abgesetzten Teiles eines jeden Gelenkes nicht die eines Zylinders zu sein.

Das Biegegelenk 212 verbindet das Kardanelement 206 und das Rotorelement 204 mit einem in radialer Richtung nach innen verlaufenden Ansatz des Rotorelementes, ähnlich wie die Verbindungsteile für die beiden anderen Kardanelemente. Das Biegegelenk 212 weist zwei radial getrennte Teile, nämlich die Biegegelenke 212a und 212b auf. Die Biegegelenke 212a und 212b definieren eine gemeinsame Biegeachse 213 und zueinander parallele Längsachsen 215a und 215b. Die Längsachse 215a ist in Figur 11A gezeigt. Die Achsen 215a und 215b verlaufen parallel zueinander und parallel zu den Rotationsachsen 203 und 205, wenn das Universalgelenk seine Nullstellung einnimmt. In der Null-

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stellung tritt dabei keine Winkelverschiebung eines Kardanelementes um seine Biegeachse auf. Die Biegegelenke 212a und 212b besitzen jeweils eine Querachse, wie sie weiter oben für das Biegegelenk 24 definiert ist, in den Figuren 11 und 12 aber nicht gezeigt ist.

In ähnlicher Weise ist das Kardanelement 208 mit dem Rotorelement 204 über ein Biegegelenk 216 mit zwei (Peilen, nämlich den Biegegelenken 216a und 216b verbunden. Die Biegegelenke 216a und 216b delinieren eine gemeinsame Biegeachse 217 und zueinander parallele Längsachsen 219a und 219b. Wenn das Universalgelenk seine Nullstellung einnimmt, liegen die Achsen 219a und 219b parallel zu den Achsen 203 und 205 und zu den Längsachsen der anderen Gelenke.

Das Biegegelenk 220 ist ein drittes Biegegelenk, das das dritte Kardansystem betrifft, da es das Kardanelement 210 mit dem Rotorelement 204 verbindet. Das Biegegelenk 220 weist ebenfalls zwei Teile, nämlich die Biegegelenke 220a und 220b auf. Die Biegegelenke 220a und 220 b definieren eine gemeinsame Biegeachse 221 und ein Paar von zueinander parallelen Längsachsen 223a und 223b.

Jedes Biegegelenk, das ein Kardanelement mit dem antreibenden Element 202 verbindet, ist ähnlich dem rotorbezogenen Biegegelenk für dieses Kardanelement aufgebaut, ist jedoch um einen Winkel von 90° um die Achsen 205 und 203 versetzt. Das Antriebselement besitzt drei im gleichen Winkel versetzte Arme. Jeder dieser Arme ist über ein Biege^Lenk mit einem der Kardanelemente verbunden. Beispielsweise verbindet das Biegegelenk 224 das Kardanelement 206 mit einem Arm des Antriebselementes 202 und definiert eine Biegeachse 225, die um 90° gegenüber der Biegeachse 213 um die Rotationsachsen 203 und 205 versetzt ist. Das Biegegelenk 224 weist zwei Teile, nämlich die Biegegelenke 224a und 224b auf. Die Biegegelenke 224a und 224b besitzen Längsachsen 227a und 227b, die parallel zueinander

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und auch parallel zu den Achsen 2OJ und 205 verlaufen, wenn das Rotorelement die Nullstellung einnimmt.

Das Biegegelenk 228 verbindet das Antriebseiement 202 und das Kardanelement 208 miteinander. Das Biegegelenk 228 weist zwei Teile auf, nämlich die Biegegelenke 228a und 228b. Die Biegegelenke 228a und 228b definieren eine gemeinsame Biegeachse 229 und parallele Längsachsen 231a und 231b. Die Längsachsen 231a und 231b verlaufen parallel zu den Rotationsachsen 203 und 205, wenn das Universalgelenk seine Nullstellung einnimmt .

Das Biegegelenk 232 verbindet das Kardanelement 210 mit dem Antriebselement 202. Das Biegegelenk 232 besitzt zwei Teile, nämlich die Biegegelenke 232a und 232b. Die Biegegelenke 232a und 232b definieren eine gemeinsame Biegeachse 233 und zueinander parallele Längsachsen 235a und 235b. Die Längsachsen 235a und 235b verlaufen parallel zu den Rotationsachsen 203 und 205» wenn das Rotorelement seine Nullstellung einnimmt. Die Längsachse 235a ist in Figur 110 gezeigt.

Alle Biegeachsen 213» 21?, 221, die drei äußere Kardanachsen definieren, und 225, 229, 233, cLie drei innere Kardanachsen definieren, schneiden die Rotationsachsen 203 und 205 iß- einem gemeinsamen Punkt. Alle Längsachsen 215a und 215b, 219a und 219b, 223a und 223b, 227a und 22?b, 231a und 231b und 235a und 235ΐ> verlaufen parallel zueinander und parallel zu den Rotationsachsen 203 und 205, wenn das Rotorelement seine Nullstellung einnimmt.

Nachstehend werden bestimmte andere Eigenschaften der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 betrachtet. Jedes Kardanelement weist eine mit Schraubgewinde versehene Öffnung und zwei Gegengewichte auf, die einschraubbar in jeder Öffnung aufgenommen werden, um das Trägheitsmoment des Kardanelementes einstellen zu können. Das Kardanelement 206 besitzt eine Öffnung 238 und in dieser ein Paar von Gegengewichten 240a und 24Ob.

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Jedes Gegengewicht ist eine Schraube gleicher Größe, die in der mit Schraubgewinde versehenen öffnung zur axialen Verschiebung drehbar ist. Das Kardanelement 208 weist eine mit Schraubgewinde versehene Öffnung 242 und in ihr ein Paar von Gegengewichten 244a und 244b auf. In ähnlicher Weise besitzt das Kardanelement 210 eine mit Schraubgewinde versehene Öffnung 246 und in ihr ein Paar von Gegengewichten 248a und 248b. Die Einstellung der Position eines der Gewichte in jeder Öffnung wird durch ein Zugriffsloch durch das andere Gewicht erzielt. Beispielsweise ist ein Zugang zum Gegengewicht 240b durch ein Loch im Gegengewicht 240a möglich.

Bei der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 weisen das Antriebselement 202, das Rotorelement 204 und die Kardanelemente 206, 208 und 210 jeweils ein Paar von Querflächen auf, die in axialer Richtung voneinander verschoben sind. Eine Querfläche des Antriebselementes 202, des Rotorelementes 204, des Kardanelementes 206, des Kardanelementes 208 und des Kardanelementes 210 liegt in der Querebene 251, und die andere Querfläche eines jeden dieser Elemente liegt in der Querebene 253· Die Querebenen 251 und 255 sind in ü'igur 11E gezeigt. Mit anderen Worten heißt dies, daß keine axiale Versetzung zwischen Querflächen des Antriebselementes 202, des Rotorelementes 204 und der Kardanelemente 206, 208 und 210, die in einer Richtung gerichtet sind, vorhanden ist, weil sie die gleiche axiale Ebene einnehmen.

Aus den Figuren 11 und 12 ergibt sich, daß der Schwerpunkt des Universalgelenkes 200 im geometrischen Mittelpunkt liegt, d.h. an der gemeinsamen Schnittstelle der Biegeachsen mit den Rotationsachsen. Der Schnittpunkt der Biegeachsen mit den Rotationsachsen ist als Aufhängungsmittelpunkt bekannt.

Für ein Universalgelenk mit drei Kardanelementen, wie sie beispielsweise in den Figuren 11 und 12 dargestellt sind, beträgt der bevorzugte Winkelabstand zwischen den Biegeachsen der Biegegelenke, die jedes Kardanelement mit dem Antriebselement verbinden, 120°. Bei einem solchen Universalgelenk beträgt der

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"bevorzugte Winke lab st and zwischen der Biegeachse des Biegegelenkes, das jedes spezielle Kardanelement mit demAntriebselement verbindet, und der Winkelachse des Biegegelenkes, das das gleiche Kardanelement mit dem Rotorelement verbindet, 90°. Aufgrund dieser bevorzugten Winkel zwischen Biegeachsen sind die Biegeachsen der Biegegelenke, die jedes Kardanelement mit dem Rotorelement verbinden, um 120 um die Spinachsen, d.h. die Rotationsachsen, des Rotorelementes und des Antriebseiementes versetzt.

Wie weiter oben ausgeführt, besitzt jedes Biegegelenk bei der in den Figuren 11 und 12 dargestellten Ausführungsform zwei in radialer Richtung getrennte Teile. Jedes Biegegelenk der Ausführungsform mit drei Kardanelementen wird durch Bohren eines Paares paralleler Offnungen in der vorbeschriebenen Weise und nach dem weiter unten erörterten und beispielsweise in den !Figuren 2 und 11E dargestellten Verfahren ausgebildet. Das Schneiden von Schlitzen, die Aussparungen ergeben, erfolgt nach diesem Verfahren, um einen mittleren Abschnitt des abgesetzten Teiles des Materiales zu entfernen, der jedes Biegegelenk ausbildet. Das Entfernen eines Abschnittes des abgesetzten Teiles des Materiales verringert die Torsionssteifigkeit des Biegegelenkes auf einen gewünschten Wert. Die beiden Teile eines jeden Biegegelenkes, die nach dem Schneiden eines Schlitzes verbleiben, sind vorzugsweise in radialer Richtung durch einen möglichst großen Abstand voneinander getrennt, damit das Universalgelenk mit hoher axialer Steifigkeit erhalten wird.

Die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 ist analog der Arbeitsweise der ersten Ausführungsform nach den Figuren 1-5· Insbesondere wird auch vorzugsweise ein Kreiselgerät mit der Ausführungsform nach den Fig. und 12 als abgestimmter, lagefreier Kreisel betrieben und vorzugsweise so eingestellt, daß Fehler aufgrund der Empfindlichkeit gegen Wellenvibrationen eliminiert werden, die bei einer Frequenz gleich dem Doppelten der Spinfrequenz auftreten. Mit anderen Worten heißt dies, daß ein Kreiselgerät mit drei

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Kardanelementen in einer Weise "betrieben wird, die Gleichungen ähnlich den Gleichungen (12) und (13) genügt. Bei einem Mehrfachkardan- Universalgelenk ergibt jedes Kardanelement ein Fehlermoment mit einer Größe und Richtung. Wenn die Kardanelemente symmetrisch sind, werden die Werte für die Fehlermomente identisch. Deshalb kann der Winkelabstand der Kardanelemente um die Rotorspinachse so ausgewählt und eingestellt werden, daß die Resultierende aller dieser Momente, die von den einzelnen Kardanelementen erzeugt werden, gleich Null wird. Ein Universalgelenk mit drei Kardanelementen ist in US-Patent 3.678.764- beschrieben. Die charakteristischen Eigenschaften einer solchen Einrichtung sind in einem Aufsatz mit dem Titel "Dynamically Tuned Gyros in Strapdown Systems", herausgegeben von Advisory Group for Aerospace Research and Development Conference on Inertial Navigation Components and Systems, 2.- 5.Oktober 1972, und in einem Aufsatz mit dem Titel "Theory of Errors of a Multigimbal-Elastically Supported, Tuned-Gyroscope" veröffentlicht in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Band AES-9, Nr. 3, Mai 1972 erläutert; in beiden Aufsätzen ist der Autor Robert J.G. Craig. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 werden die Trägheitsmomente der Kardanelemente durch Einstellung der Axialstellung der Gegengewichte 240, 244 und 248 gesteuert, nämlich durch Drehen eines Gegengewichtes mit Hilfe eines Schraubenziehers.

In Figur 13 ist ein Mehrfachfühler 300 zum Feststellen sowohl linearer Beschleunigungen als auch von Winkelverschiebungen dargestellt, dieser Mehrfachfühler besitzt zwei Universalgelenke. In den vorstehend beschriebenen Kreiseln weist jedes Universalgelenk ein Rotorelement auf, das auf lineare Beschleunigung nicht anspricht. Das Rotorelement kann auf lineare Beschleunigung ansprechend gemacht werden, indem es pendeiförmig ausgebildet ist, d.h. so ausgelegt wird, daß es eine Verschiebung des Massenmittelpunktes auf eine Seite der Befestigungsebene mit der Welle ausführen kann. Mehr fachab fühl einrichtungen sind in den US-Patentschriften 3.678.764 und 3.382.726 näher beschrieben. Die Mehrfachabfühleinrichtung 300 weist zwei Kreiselgeräte auf,

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nämlich ein pendeiförmiges Kreiselgerät und ein nicht pendeiförmiges Kreiselgerät, die "beide auf der gleichen Antriebswelle befestigt sind. Das pendeiförmige Kreiselgerät weist ein Universalgelenk 10a auf, das identisch mit dem vorbeschriebenen Universalgelenk 10 ist, dessen Schwerpunkt 301 jedoch auf einem. Punkt längs der Achse der Antriebswelle 302 in einem Abstand vom Aufhängungsmittelpunkt 303a verschoben ist. Der Schwerpunkt des nicht pendeiförmigen Kreiselgerätes ist in der Aufhängungsmitte 303 des Universalgelenkes 10 angeordnet, d.h., das nicht pendeiförmige Kreiselgerät kann ein Universalgelenk 10 aufweisen, das oben in Verbindung mit den Figuren 1-5 beschrieben ist. Das pendeiförmige Kreiselgerät mißt sowohl die Winkel- als auch die linearen Beschleunigungen. Alle anderen Einstellungen der Gegengewichte des Universalgelenkes 10a sind identisch mit den Einstellungen des Universalgelenkes 10, wie vorstehend beschrieben. Das nicht pendeiförmige Kreiselgelenk mißt nur die WinkelverSchiebungen. Das Signal, das nur Winkelverschiebungen darstellt, wird von dem Signal subtrahiert, das sowohl lineare Beschleunigungen als Winkelverschiebungen darstellt, wodurch ein Signal erzeugt wird, das ein Maß nur der Winke!verschiebungen ist und diese repräsentiert. Die Mehrfachabfühleinrichtung nach Figur 13 weist Schwungräder auf und ist im allgemeinen ähnlich dem Kreiselgerät nach Fig. 5 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß es ein doppeltes Ende besitzt, d.h. zwei Schwungräder, zwei Sätze von Drehmomentgebern und zwei Sätze von Meßwertgebern usw., jedoch nur einen einzigen Antriebsmotor.

Ein pendeiförmiges Kreiselgerät am einen Ende einer Mehrfachabfühleinrichtung kann einfach dadurch erhalten werden, daß die Positionen der Rotorgewichte im Schwungrad (nicht gezeigt) eingestellt werden, und ferner bis zu einem gewissen Grad die Position der Gegengewichte des Universalgelenkes 10a in Richtung der Spinachse der Antriebswelle 302 eingestellt wird. Wenn beispielsweise alle Rotorgewichte in axialer Richtung in Richtung der Spinachse versetzt sind, wird der Schwerpunkt von der Auf-

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hängungsmitte weg bewegt, wodurch, das Kreiselgerät pendeiförmig wird.

Die Mehrfachabfühleinrichtung 300 ist ein Instrument, das Winkelgeschwindigkeiten um jede von zwei empfindlichen Achsen wie auch eine lineare Beschleunigung längs derselben empfindlichen Achsen messen kann. Dies wird durch zwei Rotoren mit Schwungrädern 304 und 306 erreicht, die frei an einer einzigen motorgetriebenen Welle 302 aufgehängt sind, wobei einer abgeglichen ist und ein hohes Winkelmoment zur Messung von Geschwindigkeiten besitzt, während der andere pendeiförmig ausgebildet ist, und ein geringes Winkelmoment zur Messung der Beschleunigung aufweist. Bei jedem Schwungrad sind die zugeordneten Meßwertgeber und Drehmomentgeber um zwei Hauptachsen empfindlich. Eine elektronische Schaltung (nicht dargestellt) kann zur Erzielung der "Verstärkung der Kreisel- Ausgangssignale und eine geschlossene zweiachsige Servoschleife für den Beschleuniger— rotor verwendet werden. Drehmomentgeberströme, die außerhalb der Mehrfachabfühleinrichtung überwacht werden, stellen ein Maß für die Beschleunigungen dar.

Die Mehrfachabfühleinrichtung kann so aufgebaut sein, daß der Stator des Motors zwischen zwei Gehäusehälften eingeschlossen ist und die Teile miteinander verschweißt sind. Präzisionskugellager 310 nehmen die Welle 302 auf, die sowohl das Kreiselgerät als den Beschleunigungsmesser mit den Schwungrädern und dem Hysteresering 312 trägt. Mit jedem Rotorelement ist eine Platte 314, die einen Begrenzungsanschluß und einen dynamischen Abgleich bildet, befestigt, und die Platte läuft mit jedem Rotorelement um. Meßwertgeber und Drehmomentgeber (in Figur 13 nicht gezeigt) sind direkt mit dem Gehäuse in der in Figur 5 gezeigten Weise befestigt. Jedes Schwungrad kann Schraubeinstellungen für andere Ungleichgewichtsquellen, z.B. ein radiales Ungleichgewicht und ein Massenungleichgewicht besitzen. Die Kardanelemente weisen Schraubeinstellungen für die Resonanzfrequenz und die Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen bei der doppelten Spinfrequenz, sowohl in Translations-

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als auch in Rotationsrichtung auf. Abdeckungen J20 und 322 stellen eine Vakuumabdichtung und eine magnetische Abschirmung dar.

Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform mit zwei Kardansystemen erläutert und das Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Obgleich das Verfahren zur Herstellung des Universalgelenkes für die nachstehend erörterte Ausführungsform beschrieben wird, kann dieses Verfahren auch auf die Herstellung der Ausführungsform nach den Figuren 1-5? der Ausführungsform nach den Figuren 11 - 12 und die Herstellungsform anderer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Universalgelenkes angewendet werden. Einige der nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte sind wahlweise, und die Reihenfolge der verschiedenen Schritte kann geändert werden, ohne daß vom Wesen der Erfindung abgewichen wird.

Die hier beschriebene Ausführungsform, die in den Fig. 14· - 19 dargestellt ist, weist Biegegelenke auf, die in der Nähe des Umfanges des Rotorelementes angeordnet sind, damit die Dicke der abgesetzten Teile des Materiales an den Biegegelenken leichter gemessen werden kann. Messungen dieser Dicken werden bei der Auslegung der positiven Federkonstante der Kardanverbindung für jedes Kardanelement verwendet. Die positiven Federkonstanten der Biegegelenke und die Gegenkräfte, die durch die Trägheitsmomente der Kardanelemente dargestellt werden, welche effektiv negative Federkonstanten sind, bewirken eine gegenseitige Aufhebung nach dem Vorgang, der als "Abstimmung" des Kreisels bezeichnet worden ist.

Ein einstückiges Universalgelenk kann aus einem runden Stangenmaterial aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt oder anderem ähnlichem Material hoher Festigkeit hergestellt werden. Der Durchmesser der Stange wird natürlich nach dem Außendurchmesser des angetriebenen Elementes des Universalgelenkes, mit dem ein Schwungrad befestigt wird, bestimmt.

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Nach Figur 14 und Figur 15 wird ein Rohling 400 aus metallischem Material in Form einer kreisförmigen Scheibe aus dem Stangenmaterial abgeschnitten. Die Dicke des Rohlings bestimmt sich nach den Konstruktionsdaten für die letztliche Verwendung des Universalgelenkes. Bei einem Kreiselgerät sind der Durchmesser der Antriebswelle und die Größe des Schwungrades Hauptfaktoren für die Bestimmung der Dicke und des Durchmessers des Rohlings 400, aus dem das Universalgelenk hergestellt wird.

Ein Loch 402 mit einer Mittelachse 403» cLie kolinear zur Mittelachse des zylindrisch geformten Rohlings 400 verläuft, wird durch den Rohling gebohrt. Der Durchmesser des Loches 402 wird so gewählt, daß der Rohling 400 später auf einer (nicht dargestellten) Antriebswelle mit vorgegebenem Durchmesser befestigt werden kann.

Sehnenschiitze 404a, 404b, 404c und 404d, die als Aussparungen geringer Tiefe sichtbar sind, wie in Fig. 14 und 15 gezeigt, werden in einem Abstand von 90° gegeneinander um die Mittenachse 403 herausgearbeitet, z.B. gefräst. Die vier Sehnenschlitze 404 ergeben planare Oberflächen, um das Bohren paralleler Löcher zu erleichtern.

Im Anschluß daran werden vier Paare von parallelen Löchern in den Bereichen der Sehnenschlitze des Rohlings 400 gebohrt. Ein Paar von Löchern 408 und 410 beläßt dazwischen einen abgesetzten Teil 406 aus Material, der letztlich zwei in radialer Richtung getrennte Biegegelenke mit einer gemeinsamen Biegeachse 40'/ bildet. Die Löcher 408 und 410 sind beispielsweise in den Figuren 14 und 15 in einer Ausführungsform mit zwei Kardanelementen gezeigt. Die Mittenlinien zwischen, d.h. die Biegeachsen der verbleibenden drei Paaie von parallelen Löchern sind vorzugsweise im gleichen Winkel um 90° um die Mittenachse 403 gegenüber der Biegeachse 407 zwischen Löchern 408 und 410 versetzt. Die Mittenlinien aller acht einzelnen Löcher verlaufen koplanar in einer Ebene, die quer zur Achse 403 verläuft. Die Mittenlinie eines jeden einzelnen Loches eines jeden Paares von

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Löchern erstreckt sich im gleichen Abstand von der Biegeachse des Biegegelenkes. Beispielsweise liegen die Mittelpunkte 409 und 411 aller Löcher 408 und 410 in gleichen Abständen von der Biegeachse 407 ö.es Biegegelenkes, das in Figur 15 sichtbar ist. Die Querachse 412 verläuft senkrecht zur Biegeachse 407. Jeder abgesetzte Teil des Materials weist eine Längsachse auf, die senkrecht zur entsprechenden Biegeachse verläuft und parallel zur Rotationsachse 405, d.h. der Spinachse ist. Beispielsweise besitzt der abgesetzte Teil 406 eine Längsachse 413.

Jedes Paar von Löchern, z.B. die Löcher 408, 410, wird bis zu einer vorbestimmten Tiefe in den Rohling 400 gebohrt, kann jedoch auch ganz durch den Rohling hindurchgebohrt werden. Wenn die Löcher vollständig durch den Rohling hindurchgebohrt werden, wobei sie um 90 um die Mittenachse 403 versetzt sind, sind nur zwei Paare von Löchern erforderlich, damit die vier abgesetzten Teile erhalten werden. Die Tiefe der Löcher wird nach der jeweiligen Konstruktion gewählt, und die gewünschte Steifigkeit für das Biegegelenk ist ein Hauptmerkmal bei der Bestimmung einer Tiefe, da die Tiefe wiederum Teil der radialen Dimension des abgesetzten Teiles ist.

Drei zusätzliche, abgesetzte Teile 414, 416 und 418 (Fig. 14) sind identisch mit dem abgesetzten Teil 406 und sind in der vorbeschriebenen Weise geformt. Jeder abgesetzte Teil des Materiales, der in dieser Weise geformt ist, wird später in zwei Biegegelenke durch Schnitte unterteilt, die mit einer Elektrofunkenmaschine geführt werden. Beispielsweise wird der abgesetzte Teil 406 später in ein Biegegelenk geschnitten, das ein Kardanelement mit dem antreibenden Element verbindet, und ein weiteres Biegegelenk, das das andere Kardanelement mit dem Rotorelement des Universalgelenkes verbindet.

Beim nächsten Verfahrensschritt werden acht Löcher 420, 422, 424, 428, 430, 432 und 434 im Rohling 400 gebohrt und gewindegeschnitten. Der Mittelpunkt eines jeden dieser Löcher ist in

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gleichem Abstand von der Achse 4OJ angeordnet, und die Löcher weisen Mittenlinien parallel zur Achse 403 auf. Der Zweck dieser Löcher besteht darin, Gegengewichte aufzunehmen, deren Axialstellung einstellbar ist, wie oben erörtert. Die Lage der Löcher ist als Punktion der Konstruktion eines bestimmten, herzustellenden Ausführungsbeispieles ausgewählt.

Dann wird der Rohling 400 einer Hitzebehandlung ausgesetzt, um seine Härte zu erhöhen. Eine derartige Wärmebehandlung ist in der Technik bekannt.

Nach der bevorzugten Reihenfolge von Verfahrensschritten wird der Rohling 400 als nächstes exakt dimensioniert. Die zylindrische Oberfläche des Rohlings .kann auf einen genauen Außendurchmesser geschliffen werden. Die Seiten des Rohlings können geläppt werden, so daß sie genau parallel verlaufen. Die Öffnung 402 kann auf einen genauen Innendurchmesser geschliffen werden. Jedes Paar von Löchern zur Ausbildung eines Biegegelenkes kann geschliffen werden, damit das Biegegelenk, das hergestellt v/erden soll, exakter definiert wird. Beispielsweise können die Löcher 408 und 410 auf einen größeren Durchmesser und/oder die Löcher 408 und 410 so geschliffen werden, daß der Abstand zwischen ihren Mittenlinien 409 und 411 verringert wird.

Dann wird nach dem Elektrofunkenverfahren gearbeitet (Funkenerosion) , damit zusätzlich Material von dem Rohling in Form von Schnitten abgenommen wird. Dieses Verfahren ist in der Technik bekannt und Elektrofunkenmaschinen sind im Handel in vielfältigen Formen zur Verfugung.

Derartige Bearbeitungsverfahren stehen beispielsweise vom Hersteller Charmilles Engineering Works Ltd., Genf, Schweiz unter dem Titel "Electrical Machining, Spark-Erosion Machines, Technology Generators" zur Verfugung. Ferner wird auf das Buch "Electrical Discharge Machining for the 1970's" von Leland J. Quackenbush und William N. Lawrence hingewiesen, das von Industrial Development Division Institute of Science and Technology, The University of Michigan, 2200 North Campus

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Boulevard, Ann Arbor, Michigan 48105> USA bezogen werden kann.

Wie sich aus der detaillierten Beschreibung des Verfahrens lind aus nachstehenden Ausführungen ergibt, umfaßt das Entfernen von Material vom !Rohling 400 unter Verwendung der Technik der elektrischen Funkenbearbeitung unterschiedliche Arten von Schritten für das Entfernen von Material. Bei einer derartigen Form eines Verfahrensschrittes wird das Abtrennen des Materials in der Weise vorgenommen, daß axiale Schlitze durch den Rohling 400 gelegt werden, der zu Beginn ein massiver Metallblock ist. Der Ausdruck "Schlitz" soll dabei einen Schnitt von einer Seite des Rohlings durch diesen hindurch zur anderen Seite bezeichnen« Zusätzlich weisen die Bearbeitungsschritte das Schneiden axialer Aussparungen mit ein, die, obgleich sie als Schlitze angesehen werden können, nicht ganz durch den Rohling hindurchgehen. Diese Aussparungen erstrecken sich nur teilweise in axialer Richtung in den Block von einer Seite aus. Andere Verfahrensschritte umfassen andere axiale Aussparungen, die sich ebenfalls nur teilweise in axialer Richtung in den Block 400 hineinerstrecken, jedoch von der anderen Seite ausgehen. Bei wiederum anderen Schritten erstrecken sich Aussparungen von dem Umfang in radialer Richtung nach innen in den Rohling 400.

Die Figuren 16, 17? 18 und 19 zeigen drei Ansichten des Aufbaues der Ausführungsform, die sich aus dem Rohling nach den Figuren 14 und I5 ergibt, indem Material unter Ausführung von Schnitten nach der Funkenerosionstechnik fortlaufend entfernt wird. Die Schlitze 433a, 433b, 433c und 433d, die ganz durch den Rohling 400 gehen, werden mit einer Elektrofunkenmaschinenelektrode hergestellt. Die Aussparungen 435a und 435b werden durch eine andere Elektrode erhalten. Aus Fig. ergibt sich, daß die Aussparungen 435a und 435^> sich nicht ganz durch den Rohling 400 erstrecken. Die relative 'fiefe bestimmter Schnitte, die als "Aussparungen" bezeichnet werden, von den Endflächen sind in Figur 17 dargestellt. Die Folge der Herstellung der Schnitte läßt sich natürlich variieren. Ferner ist es auch möglich, den Aufbau der Elektroden zu verändern. Beispielsweise können alle sechs Schnitte 433 und

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mit einer einteiligen Elektrode, I'yp "cookie-cutter" vorgenommen werden. Die Seite des Rohlings 400, aus der Aussparungen 435 geschnitten werden, d.h. die in .Figur 16 sichtbare Seite, wird anschließend als die erste Seite bezeichnet.

In Figur 18 ist der Rohling umgedreht dargestellt, so daß er die Position einnimmt, in der Schnitte von der entgegengesetzten Seite geführt werden, d.h. von der Seite, die in ü'igur 18 sichtbar ist, und die nachstehend als die zweite Seite des Rohlings 400 bezeichnet wird. Aussparungen 437a und. 437b, die Aussparungen 435a iind. 435h auf der ersten Seite entsprechen, werden so durchgeführt, daß sie sich teilweise durch den Rohling 400 in einer axialen Richtung erstrecken. Wie dargestellt, können diese vier Aussparungen so dargestellt werden, daß sie Verbindungskanäle zwischen Paaren der 1/4 kreisförmigen, ringförmigen Schlitze 433a-433d bilden.

Schlitze 439a, 439b, 439c und 439d werden in Form von vier identischen, in gleichem Winkel versetzten, bogenförmigen Schlitzen durchgeführt, die ganz durch den Rohling 400 in der axialen Richtung geschnitten sind und die konzentrisch mit den Schlitzen 433 angeordnet sind. Ähnlich geformte und angeordnete Schlitze 441a , 441b, 441c und 44-Id sind vollständig durch den Rohling 400 in der axialen Richtung geschnitten und weisen konzentrische Wandungen in radialer Richtung auf. Darüber hinaus sind im wesentlichen radial verlaufende Schlitze 443a, 443b, 443c, 443d, 443e, 443f, 443g und 443h ganz durch den Rohling 400 geschnitten, und zwar von der einen zur anderen Seite. In der Praxis wird die Gesamtheit der acht Schlitze 443 in einem einzigen Schneidschritt durch eine Elektrode der Elektrofunkenmaschine ausgebildet.

Dann wird der Rohling 400 wiederum mit der ersten Seite nach oben angeordnet, wie in Figur 16 gezeigt, und es werden vier radiale Aussparungen 445a, 445b, 445c und 445d teilweise durch den Rohling 400 in der axialen Richtung geschnitten. In ähnlicher Weise werden vier entsprechende Aussparungen 447a, 447b, 447c und 447d von der anderen, d.h. der zweiten Seite geschnit-

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ten, die in Figur 18 dargestellt ist. Die Aussparungen 447 entsprechen den Aussparungen 445, sind jedoch von den Aussparungen 445 im Winkel um 90° um die Achse 403 versetzt und liegen auf der entgegengesetzten Seite des Kohlings 400. Jede Aussparung 447, die sich nur zum Teil durch den .Rohling 400 und in axialer Sichtung erstreckt, verbindet einen Schlitz 443 mit einem Schlitz 4J9.

Dann werden Aussparungen in den Richtungen von Sehnen (in der Geometrie als Sekanten "bezeichnet) erstellt, die als Aussparungen 449 gezeigt sind und die auch teilweise durch den Rohling 400 in axialer Richtung und von der ersten Seite geführt werden (Figur 16)_; durch diesen Schnitt werden zwei geringfügig unterschiedliche Formen von Aussparungen geschnitten, nämlich die Aussparungen 449a, 449"b, 449c, 449d einer Form und Schlitze 449e, 449f, 449g und 449h anderer Form.

Wie sich aus Figur 18 ergibt, werden acht v/eitere .Aussparungen 451 a_} 451"b, 451c, 451 d, 451 e, 451 f, 451g und 451h entsprechend den Aussparungen 449a, 449b, 449c, 449d, 449e, 449f, 449g und 449h hergestellt, jedoch von der zweiten Seite des Rohlings geschnitten und im Winkel um 90 gegenüber den Aussparungen versetzt. Die Aussparung 451 ist auch von der Art eines Schiitzkanales, da sie nur teilweise in den Rohling 400 in axialer Richtung eindringt.

Weitere Aussparungen werden mit einer Elektrode von der ersten Seite (Fig. 16) geschnitten, diese Aussparungen sind die vier Schlitze 453a, 453b, 453c und 453<1, die jeweils teilweise durch den Rohlings400 in einer axialen Richtung verlaufen. Entsprechende Aussparungen 455a, 455b, 455c und 455d werden von der zweiten Seite des Rohling (Fig. 18) geschnitten und sind im Winkel um 90° gegenüber den Aussparungen 453 versetzt. Die vier Aussparungen 455a, 455^ ? 4-55c und 455<3- sind nur teilweise durch den Rohling 400 in einer axialen Richtung geschnitten.

Dann wird der Rohling noch einmal gewendet und es werden zwei

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Aussparungen 457a und 457b von der ersten Seite geschnitten, deren οede sich nur teilweise durch den Rohling 4OÖ in einer axialen Richtung erstreckt. Dann werden entsprechende Aussparungen 459a und 459t) ähnlich, den Aussparungen 457a und 457b von der zweiten Seite des Rohlings geschnitten,die im Winkel um 90° um die Achsi
457b versetzt sine

um 90 um die Achse 403 in bezug auf die Aussparungen 457a und

Vier radial verlaufende Schlitze 461a, 461b, 461c und 461 d werden ganz durch den Rohling 400 geschnitten und sind somit, wie alle Schlitze, in beiden Figuren 16 und 18 sichtbar, während jede der bisher erwähnten Aussparungen in nur einer dieser beiden Figuren sichtbar ist.

Der Rohling 400 ist nunmehr in einem Zustand, in welchem die Kardanelemente durch Schlitze und Aussparungen voneinander getrennt sind, und zwar beide von dem zentrischen Antriebselement 402 und beide von dem ringförmigen Rotorelement, mit Ausnahme der integralen Biegegelenke, die die verschiedenen Elemente miteinander verbinden, und mit Ausnahme des Materials an den Bereichen, in denen die Kardanelemente einander kreuzen, d.h. übereinanderliegen.

Wenn integrale Anschläge, wie z.B. die Anschläge 88, 90 (Fig.3) in der Konstruktion weggelassen werden, kann eine Anschlagplatte vorübergehend mit dem Rohling 400 befestigt werden, damit zu hohe Beanspruchungen während des Herstellvorganges vermieden werden, insbesondere während des Schrittes, bei dem die Kardanelemente voneinander getrennt werden. Wenn integrale Anschläge zur Verhinderung übermäßig hoher Beanspruchungen verwendet werden, kann die Anschlagplatte entfallen.

Weiter oben wurde ausgeführt, daß die Isoelastizität der Aufhängung, die mit dem Universalgelenk erzielt wird, ein erwünschtes Merkmal ist. So sollen die axialen und radialen Translationssteif igkeiten, d.h. die Nachgiebigkeit des Universalgelenkes soweit wie möglich gleich sein. Um diese Isoelastizität in

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axialen und radialen Sichtungen zu erzielen, wird die Steifigkeit der gesamten Aufhängungsanordnung, die das Hotorelement mit dem Antriebs element koppelt, betrachtet. Für die liniversalgelenke nach vorliegender Erfindung ist die Translationssteifigkeit üblicherweise größer in der axialen dichtung, d.h. längs der Rotationsachsen des antreibenden Elementes und des angetriebenen Elementes, nämlich des Rotorelementes. Deshalb kann die Aufhängungscharakteristik in axialer Richtung geschwächt werden, wodurch die axiale Steifigkeit so gewählt wird, daß sie der radialen Steifigkeit gleich wird. Beispielsweise kann die axiale Steifigkeit durch Formung von Aussparungen in dem Abschnitt eines Kardanelementes entweder entgegengesetzt zu einem rotorbezogenen oder entgegengesetzt zu einem wellenbezogenen Biegegelenk geschwächt werden. Die Aussparungen 463a und 463b (Figur 16) schwächen die axiale Steifigkeit eines Kardanelemeiri;es. Diese Aussparungen werden von der ersten Seite des Rohlings 400 geformt und verlaufen teilweise durch den Rohling auf die Biegegelenke zu, die durch abgesetzte Teile 406 und 416 gebildet sind (vgl. Figur 14). In ähnlicher Weise werden die Aussparungen 465a und 465b in der zweiten Seite des Rohlings 400 geformt (Fig. 18). Die Aussparungen 465a und 465b (Fig. 18) erstrecken sich in ähnlicher V/eise von der zweiten Seite teilweise durch den Rohling und sind entgegengesetzt zu den Biegegelenken angeordnet, die durch abgesetzte Teile 418 und 414 geformt sind. Die Aussparungen 463a und 46Jb sowie die Aussparungen 465a und 465b schwächen die Aufhängungscharkteristik in der axialen Richtung dadurch, daß die Steifigkeit der Verbindungen zwischen dem antreibenden Element und dem angetriebenen Element verringert wird. Andererseits können andere Aussparungen verwendet werden, um die Translationssteifigkeit dieser Verbindungen zu schwächen.

Nach Figur 3 können ähnliche schlitzförmige Schnitte, die Aussparungen ergeben, in den U-förmigen Abschnitten der Kardanelemente 18 und 20 durchgeführt werden, um die axiale Hach-

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giebigkeit der Aufhängungscharakteristik zu schwächen. Ein derartiger Schlitzschnitt würde im mittleren Bereich des U-förmigen Teiles entgegengesetzt zu den Biegegelenken 48, 52, 64 und 68 durchgeführt werden, um die Verbindung zum antreibenden Element 12 zu schwächen.

Die Größenabmessung der Aussparungen zur Erzielung der Isoelastizität kann nach bekannten Grundsätzen berechnet werden und kann empirisch bestimmt werden, um die axiale Nachgiebigkeit so einzustellen, daß sie gleich der radialen Nachgiebigkeit des Universalgelenkes wird.

Die Schnitte zur Erzielung der Isolelastizität können durch Entfernen von Material vorgenommen werden, und zwar nach herkömmlichen Bearbeitungsverfahren wie Bohren, Fräsen, Funkenerosionsbearbeitung oder durch Anwendung der Laserstrahlteehnik.

In den Figuren 16 und 18 ist in Durchsiait die Form einer Elektrode gezeigt, wenn sie eine der vier Positionen zum Schneiden von vier radialen Aussparungen 467a, 467b, 467c und 467d mit einer Elektrοfunkenmaschine annimmt. Diese Aussparungen trennen die Kardanelemente voneinander. Figur 19 zeigt eine solche Aussparung 467. Für ein Universalgelenk mit zwei Kardanelementen werden vier Aussparungen in im gleichen Winkel versetzten Abständen um die Achse 4OJ geschnitten, um die Kardanelemente voneinander zu trennen.

Die Figuren 16 und 18 zeigen in Durchsicht die Tiefe der vier Schlitze 467a, 467b, 467c und 467d. Die Gestalt der Elektrode kann so gewählt sein, daß sie eine Säule beläßt, die in Durchsicht in Figur 16 und deutlich in Figur 19 gezeigt ist. Ein feiner Schlitz 469 wird dann mit einer dünnen Elektrode geschnitten, damit Jede Säule in zwei Teile 466 und 468 getrennt wird, wobei jeder Teil einstückig mit einem anderen Kardanelement ausgebildet und deshalb mit diesem starr befestigt ist. Die beiden radialen Schlitze, nämlich eine radiale Aussparung

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4-67, die eine Säule beläßt, und der dünne, die Säule trennende Schlitz 469 werden in Intervallen von 90° um die Achse 403 wiederholt, wodurch die Ausbildung der beiden Kardanelemente 470 und 472 beendet wird. Die Abgleicheinstellschrauben sind in den Figuren 16 und 18 nicht dargestellt.

Aufgrund der verschiedenen Schritte nach vorliegender Erfindung ist ein Kardanelement 470, hier ein vollständiger Kardanring, flexibel mit dem antreibenden Element 474 über zwei Biegegelenke, die kolineare,dJi. gemeinsame Biegeachsen aufweisen, und mit dem Rotor, d.h. dem antreibenden Element 476 über zwei Biegegelenke, die ebenfalls gemeinsame Biegeachsen aufweisen, verbunden. In ähnlicher Weise ist das Kardanelement 472 flexibel mit dem antreibenden Element 474 über zwei Biegegelenke mit gemeinsamen, d.h. koinzidenten Biegeachsen, und mit dem .Rotorelement 476 über zwei Biegegelenke, die ebenfalls koinzidente Biegeachsen besitzen, verbunden. Die Biegegelenke sind in Durchsicht in den !figuren 16 und 18 dargestellt.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Universalgelenkes nach vorliegender Erfindung besitzen jeweils eingebaute Biegegelenke mit Längsachsen, die etwa parallel zur Kotationsacb.se des antreibenden Elementes verlaufen, wenn das Rotorelementuni versalgelenk die Nullposition einnimmt. Im Rahmen vorliegender Erfindung können jedoch die Iiittenlinien eines jeden Paares von parallelen Löchern, die einen abgesetzten Teil des Materiales bilden, so positioniert sein, daß die Iiittenlinien in axialer Richtung versetzt sind. Dann verlaufen die Mittenlinien koplanar in einer Ebene, die die Rotationsachse des antreibenden Elementes einschließt. Wenn die Mittenlinien eines jeden Paares von Löchern, die ein Biegegelenk bilden, in axialer Richtung versetzt sind, sind insbesondere die Biegeachsen aller Biegegelenke nach wie vor koplanar in einer Ebeoae quer zur Rotationsachse des antreibenden Elementes angeordnet. Der abgesetzte Teil eines jeden Biegegelenkes besitzt eine Längsachse, die in einer Ebene liegt, welche etwa senkrecht zur Rotationsachse des antreibenden Elementes

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verläuft, wenn das Universalgelenk seine Nullposition einnimmt. Dieses vierte Ausführungsbeispiel nach, vorliegender Erfindung kann unter Anwendung von Techniken, die in vorliegender Anmeldung erläutert und in Verbindung mit der Ausführungsform nach den Figuren 16 - 19 beschrieben sind, hergestellt werden.

In Figur 20 ist herausgebrodaen ein Universalgelenk 5OO gezeigt, bei dem die Längsachse eines jeden Biegegelenkes in einer Ebene etwa senkrecht zur Rotationsachse des Antriebselementes und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des angetriebenen Elementes verläuft. In Figur 20 ist nur ein Biegegelenk dargestellt, es kann aber jede der drei Ausführungsformen, die weiter oben beschrieben sind (und auch andere Ausführungsformen) mit Biegegelenken versehen werden, deren jedes die Orientierung in Bezug auf die Spinachsen nach Figur 20 besitzt.

In Figur 20 weist ein Universalgelenk 5OO eine Antriebsrotationsachse 501 entsprechend der Achse 13 des Universalgelenkes 10 nach Figur 1 sowie eine angetriebene Hotationsach.se 503 entsprechend der Achse I5 in Figur 1 auf. Es ist ein Biegegelenk 504 gezeigt, das eine Biegeachse 505 uncL eine Längsachse 507 definiert, die beide in einer Ebene etwa senkrecht zu den Achsen 501 und 503 liegen, wenn das Biegegelenk 504 seine Nullposition, d.h. seine nicht ausgelenkte Position einnimmt. Das Biegegelenk 504- wird in der Weise geformt, daß ein Paar von Öffnungen 5O8 und 510 gebohrt oder in sonstiger Weise erstellt werden. Die Mittenlinien 509 und 51I sind gegenüber der Biegeachse 505 um einen gleichen Abstand versetzt, und sie verlaufen parallel zur Biegeachse 5O5. Das Biegegelenk 504 weist eine Querachse 513 parallel zu den Achsen 5OI und 503 auf, wenn das Rotorelement des Universalgelenkes 500 die Nullposition einnimmt. Die Längsachsen eines Universalgelenkes, dessen Biegegelenke alle in Bezug auf die angetriebenen und antreibenden Rotationsachsen in der in Figur 20 gezeigten Weise orientiert sind, sind koplanar. Das bedeutet, daß die Längsachsen alle in einer Ebene senkrecht zu den angetriebenen und antreibenden Rotationsachsen liegen,

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wobei angenommen wird, daß die Hitteiilinien der Öffnungen, die die Biegegelenke bilden, alle in einem Paar paralleler Ebenen liegen.

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Claims (8)

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   Patentansprüche

   Ί. Universalgelenk zur Verwendung als kardanisch^ Aufhängung - eines Kreisels, mit einem drehbaren, antreibenden Element, einem angetriebenen Element, das ein Eotorelement darstellt, welches während des Betriebes mit dem Antriebselement rotiert, wenigstens zwei zwischengeschalteten kardanischen Elementen und einer Vielzahl von Schwenkverbindungen, wobei jedes zwischengeschaltete kardanisch« Element durch wenigstens eine Schwenkverbindung mit dem antreibenden Element und über wenigstens eine andere Schwenkverbindung mit dem angetriebenen Element verbunden ist, so daß wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete, das angetriebene Element abstützende Kardansysteme gebildet werden, die im Winkel gegeneinander versetzt sind, derart, daß 3 ede Schwenkverbindung durch wenigstens ein Biegegelenk geformt wird, das normalerweise eine Biegeebene mit einer Biegeachse definiert, dadurch gekennzeichnet , daß jede Biegeebene normalerweise einen Winkel der gleichen Größe mit den normalerweise koinzidenten Rotationsachsen (13» 15) äes antreibenden Elementes (12) und des angetriebenen Elementes (14) bildet (Fig. 1).
2. 2. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Winkels Null Winkelgrade beträgt, wobei alle Biegeebenen normalerweise die koinzidenten !Rotationsachsen 15) einschließen.
3. 3. Universalgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Winkels 90 Winkelgrade beträgt, wobei alle Biegeebenen normalerweise eine gemeinsame Ebene einnehmen, die einen Winkel von90 Winkelgraden mit den koinzidenten Rotationsachsen (13, 15) bildet (Fig. 20).

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4. 4. Universalgelenk nach. Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes kardanisch^ Element (18 oder 20) ein Paar von Biegegelenken (56, 60 oder 24·, 44-) eine äußere Biegeachse (57 > 61 oder 25, 4-5) und ein weiteres Paar von Biegegelenken (64, 68 oder 48, 52) eine innere Biegeachse (65, 69 oder 49, 53Jdefiniert.
5. 5. Universalgelenk nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei zwischengeschaltete Kardansysteme, wobei die Biegeachsen (25, 45) von Biegegelenken (24, 44), die einem (20) der zwischengeschalteten kardanischen Elemente (18, 20) zugeordnet sind, um einen Winkel von 90 Winkelgraden gegenüber entsprechenden Biegeachsen (57? 61) der Biegegelenke (56, 60) des anderen zwischengeschalteten kardanischen Elementes (18) versetzt sind.
6. 6. Universalgelenk nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei zwischengeschaltete kardanisch^ Elemente (206, 208, 210) vorgesehen sind, von denen jedes über wenigstens ein Biegegelenk (224, 228, 232) mit dem antreibenden Element (202) und über wenigstens ein anderes Biegegelenk (212, 216, 220) mit dem angetriebenen Element (204) verbunden ist, wodurch drei mechanisch parallel geschaltete, zueinander im Winkel versetzte kardanisch^ Systeme gebildet werden, die das angetriebene Element (204) abstützen (Fig. 11, 12).
7. 7. Universalgelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Biegeachsen (z.B. 213) der Biegegelenke, die einem (206) der zwischengeschalteten kardanischen Elemente zugeordnet sind, um einen Winkel von 120 Winkelgraden gegenüber entsprechenden Biegeachsen (217; 221) der anderen zwischengeschalteten kardanischen Elemente (208, 210) versetzt sind (Fig. 11, 12).
8. 8. Universalgelenk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptträgheitsmomente der kardanischen Elemente (18, 20) und die Federkonstanten der

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   Biegegelenke (24 ... 68) so gewählt sind, daß das angetriebene Element (14) im wesentlichen die charakteristischen Eigenschaften eines lagerfreien Rotors besitzt.

   9. Universalgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupttragheit smomente der kardanischen Elemente (18, 20) und die Federkonstanten der Biegegelenke (24 ... 68) so gewählt sind, daß sie eine weitgehende Aufhebung aller konstanten Drehmomente bewirken, die durch Gleichrichtung von Vibrationen erzeugt werden, welche bei etwa der doppelten Drehzahl des angetriebenen Elementes (14) auftreten.

   10. Universalgelenk nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, daß jedes Biegegelenk (24 ... 68) ein biegsames, abgesetztes Materialstück aufweist, das zwischen einem Paar gebohrter Löcher (30, 36) ausgebildet ist, welche symmetrisch um die Biegeebene angeordnet sind.

   11. Universalgelenk nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das antreibende Element (12), das angetriebene Element (14), die kardanischen Elemente (18, 20) und die miteinander verbundenen Biegegelenke (24 ... 68) Teil eines integralen MaterialStückes bilden, aus welchem sie gearbeitet sind.

   12. Universalgelenk nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Anschlägen (88, 90) vorgesehen ist, von denen einer mit einem der kardanischen Elemente (18, 20) befestigt ist, um die Drehfreiheit zweier kardanischer Elemente (18, 20) um die zugeordnete Biegeachse zu begrenzen.

   13. Universalgelenk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschlag (88, 90) ein integraler Teil eines kardanischen Elementes (18, 20) ist.

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   . Universalgelenk nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Rotorelement vorgesehen ist, das pendeiförmig ausgebildet ist und das ebenfalls über Biegegelenke verbunden ist und sich mit dem antreibenden Element mit Hilfe wenigstens eines zweiten Paares von kardani— sehen Elementen dreht, wobei die sich daraus ergebende Vorrichtung einen Mehrfachfühler zur Erzeugung von Signalen darstellt, die sowohl für Winkel- als auch lineare Beschleunigungen repräsentativ sind.

   15- Anwendung der Funkenerosionsbearbeitungstechnik zur Herstellung eines Universalgelenkes mit Biegegelenken, die jedes von wenigstens zwei kardanischen Elementen mit einem angetriebenen Element und mit einem antreibenden Element verbinden, aus einem einzigen, massiven Metallblock.

   16. Verfahren zur Herstellung eines Universalgelenkes mit Biegegelenken, die wenigstens zwei zwischengeschaltete kardanische Elemente mit einem angetriebenen Element oder mit einem antreibenden Element verbinden, das eine Rotationsachse aufweist, wobei für jedes zu bildende Biegegelenk zwei benachbarte parallele Löcher in einen Rohling gebohrt werden, derart, daß das zwischen den Löchern verbleibende Material ein Biegegelenk darstellt, dessen Biegeachse parallel zu den zwei Löchern an der Stelle minimaler Dicke des Biegegelenkes verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling in JTorm eines massiven Blockes (400) aus Metall hergestellt wird, in den die Paare von Löchern (408, 410 ...) gebohrt werden, und daß Schnitte in den Metallblock (400) unter Anwendung der ffunkenerosionsbearbeitungsteohnik geführt werden, wodurch das antreibende Element (474), das angetriebene Element (476) und die dazwischengeschalteten kardanischen Elemente (470, 472) aus dem Metallblock (400) als getrennte Körper geformt werden, die um die Rotationsachse (403) angeordnet sind, wobei diese Körper voneinander mit Ausnahme der verbleibenden, die Zwischenverbindung darstellenden Biegegelenke (406, 414 ...) getrennt sind (Fig. 14 - 18).

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   17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der massive Metallblock (400) eine kreisförmige Scheibe ist, und daß die Schnitte so geführt werden, daß der mittlere Teil der Scheibe das antreibende Element (4-74) wird, dessen Eotationsach.se (403) mit der Achse der Scheibe zusammenfällt .

   18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17> dadurch gekennzeichnet, daß das Bohren von Paaren von Löchern (408, 410 ...) zur Bildung der Biegegelenke (406) vor der Durchführung der Schnitte vorgenommen wird.

   19· Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden der Schnitte axiale Schlitze durch den massiven Metallblock (400) von einer Seite zur anderen des Blockes gelegt werden, daß axiale Aussparungen geschnitten werden, die nur teilweise in den Block von einer Seite reichen, daß andere axiale Aussparungen geschnitten werden, die sich ebenfalls nur teilweise in den Block (400), jedoch von der anderen Seite her erstrecken, und daß Aussparungen (467) geschnitten werden, die sich vom Umfang radial nach innen in den Block (400) erstrecken (Pig. 16-19).

   20. Verfahren nach Anspruch 19? dadurch gekennzeichnet, daß axiale Schlitze (433»439) ausgebildet werden, die eine gekrümmte Gestalt aufweisen und die konzentrisch in Bezug auf die Drehachse (403) verlaufen, daß andere axiale Schlitze (443, 461) ausgebildet werden, die weitgehend linear und radial verlaufen, und daß axiale Aussparungen (435 -..457) ausgebildet werden, die benachbarte Schlitze miteinander verbinden.

   21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß weitere axiale Aussparungen (463, 465) von einer Oberfläche eines geformten kardanischen Elementes (470,

   472) an einer Stelle entgegengesetzt zu einem Biegegelenk

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   -is.

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   ausgebildet werden, um die axiale Translationssteifigkeit des Universalgelenkes gleich der radialen Translationssteifigkeit zu machen.

   22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von axialen öffnungen im Metallblock (400) ausgebildet werden, daß eine erste (402) der öffnungen zentrisch ausgebildet wird und eine Antriebswelle aufnimmt, während die anderen öffnungen (450, 452) symmetrisch um die erste öffnung (402) angeordnet sind, wobei jede der übrigen öffnungen (450, 452) ein Balancegewicht aufnehmen kann.

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