DE2624727A1

DE2624727A1 - Praezisions-kreiselkompass in kleinstausfuehrung

Info

Publication number: DE2624727A1
Application number: DE19762624727
Authority: DE
Inventors: Michele Merlo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-09
Filing date: 1976-06-02
Publication date: 1977-07-14
Also published as: IT1063728B; CH601800A5; US4043205A

Description

Präzisions-Kreiselkompaß in Kleinstausführung

Die Erfindung betrifft einen Präzisions-Kreiselkompaß in Kleinstausführung, mit einem Gehäuse, das eine Halterung für ein um eine erste Achse drehbares Drehteil aufweist
und mit einem in dem Drehteil gelagerten Rotor, der um
eine zu der ersten Drehachse rechtwinklig stehende zweite Drehachse herum rotiert.

Ein derartiger Kreiselkompaß, der auch als Gyrometer bezeichnet wird, hat die Aufgabe, elektrische Signale zu
liefern, und seine Bemessung richtet sich daher nach der abzugebenden elektrischen Leistung. Wenn das elektrische Ausgangssignal eine Spannung in der Größenordnung von
einigen Volt an einem Widerstand von mehreren k Ohm
betragen soll, wie es bei Geschwindigkeits-Gyrometern der Fall ist, werden elektrische Leistungen lediglich in der Größenordnung von einigen Milliwatt benötigt. Es besteht daher prinzipiell die Möglichkeit der Herstellung von
Kreiseln, die nur wenige Gramm wiegen und sehr klein sind.

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Die zur Zeit bekannten Geschwindigkeits-Gyrometer wiegen ca. 150 g und haben ein Volumen von ca. 35 cm³. Dieses relativ hohe Gewicht stellt in Verbindung mit dem großen Volumen gelegentlich einen erheblichen Nachteil dar, insbesondere wenn das Gerät auf kleine Flachantennen aufgesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Geschwindigkeits-Kreiselkompaß der eingangs genannten Art zu schaffen, der in Miniaturausführung herstellbar ist und dabei eine hohe Präzision aufweist. Der Kreiselkompaß soll eine große zeitliche Konstanz haben und gegen Temperaturänderungen und Stoßeinwirkungen unempfindlich sein. Ferner soll die Konstruktion einfach sein und eine leichte Herstellung und Montage ermöglichen.

Zur Lösung der genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Drehteil über eine Torsionsstange mit der Halterung verbunden ist, daß an der Halterung mehrere Pole eines Differentialtransformators angebracht sind, denen an dem Drehteil angebrachte Magnetkerne gegenüberliegen, und daß in dem Drehteil ein Kleinmotor untergebracht ist, dessen fest mit dem Drehteil verbundene Welle hohl ist und als Durchführung für elektrische Verbindungsleitungen dient.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist an der Außenfläche eines zylindrischen Gehäuses mehrere prismatische Ausfräsungen zur Erleichterung der Befestigung auf. Das Gehäuse kann im wesentlichen rohrförmig ausgebildet sein, wobei von dem einen Ende her die Halterung, an der das Drehteil gelagert ist, und die die Pole

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des Differentialtransformators trägt, in das Gehäuseinnere hineinragt. Das Drehteil ist über eine Torsionsstange mit der Halterung verbunden. Zum Schutz gegen Stöße ist das Kugellager, mit dem das Drehteil an der Halterung befestigt ist, mit einem ausreichend großen Spiel zwischen Innenring und Kugelkranz versehen. Zwei Anschlagstifte, die von außen her eingestellt werden können, in konischen Sitzen an der Halterung befestigt sind und Anschlagkragen aufweisen, stehen mit vorspringenden Ansätzen in die Bewegungsbahn von Zähnen vor, die von dem Drehteil abstehen.

Der an der Halterung angebrachte Differentialtransformator besitzt eine Anzahl in gleichmäßigen Winkelabständen verteilter Pole, von denen jeder eine Spule aufweist. Der zugehörige Drehkern befindet sich an dem Drehteil und besteht aus mehreren kreissektorförmig angeordneten Einzelkernen, die magnetisch voneinander unabhängig sind und deren Anzahl der halben Polzahl des Differentialtransformators entspricht.

Die Welle des Kleinmotors ist fest an dem Drehteil angebracht und die Leitungsdurchführungen sind gekapselt, so daß die Flüssigkeit, die das Drehteil in dem Gehäuse umgibt, nicht in den Kleinmotor eindringen kann. Der Anschluß des Kleinmotors erfolgt über Kontaktstifte, die an hohlen Halterungsschrauben, mit denen die Welle an dem Drehteil befestigt sind, angebracht sind und in entsprechende Kontaktbuchsen im Inneren der Welle hineinragen. Dies erleichtert die Montage und macht durch die Verwendung von Steckverbindungen Lötvorgänge und dgl. entbehrlich. Die Steckerstifte sind mit Zuführungsleitungen verbunden, die abdichtend aus dem Gehäuse herausgeführt sind.

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Zweckmäßigerweise ist der Kreiselkompaß mit einer temperaturabhängigen Dämpfungsvorrichtung versehen, die aus vier Dämpfungsflossen besteht, von denen jede in eine Dämpfungskammer hineinragt. Die Dämpfungskammern besitzen Löcher, deren Strömungswiderstand durch Bimetallblätter temperaturabhängig verändert wird.

Zur Vermeidung von Überdruck, der sich temperaturabhängig in der Füllflüssigkeit entwickeln kann, sind bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes drei kompressible Luftkammern in dem Gehäuse angeordnet, die aus in die Flüssigkeit getauchten Silberkapseln bestehen.

Die Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten des Kreisels erfolgen vorzugsweise unter Verwendung konischer Flächen und Halterungskragen. Damit läßt sich eine genaue und einfache Ausrichtung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung erzielen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Gyroskop nach der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Differentialtransformators von oben,

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gehäuses,

Fig. 4 zeigt die Dämpfungsvorrichtung des Gyroskops in Explosionsdarstellung, und

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Fig. 5 zeigt ein Explosionsbild einer Luft enthaltenden elastischen Silberkapsel, die in dem Gyroskop Verwendung findet.

Die Fig. 3, 4 und 5 sind in größerem Maßstab dargestellt als die Fig. 1 und 2.

An dem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 20 ist an der einen Stirnseite eine Halterung 18 angebracht, die zum Teil in das Gehäuse hineinragt und die Form eines Bodentellers hat. Die Halterung 18 stützt sich mit einem Kragen 15 an dem stirnseitigen Rand des Gehäuses 22 ab. In der Halterung 18 befindet sich ein Differentialtransformator 24, der zahlreiche in gleichen Winkelabständen verteilt angeordnete Pole 32 aufweist. Jeder Pol weist eine einzige Spule 26 auf, die starr und geometrisch exakt ausgerichtet ist. An dem Drehteil 30 sind die Drehkerne 28 angesetzt, die die Form von Kreissektoren haben und deren Anzahl der halben Polzahl des Differentialtransformators entspricht. Die Drehkerne 28 sind voneinander unabhängig.

An der Halterung 18 sind ferner konische Anschlagstifte 26 angebracht, von denen jeder sich mit einem Kragen 12 an der Halterung abstützt. Die Anschlagstifte 16 ragen mit VorSprüngen 20 in die Bewegungsbahn von Zähnen 23 hinein, die von dem Drehteil 30 achsparallel abstehen. Die konischen Anschlagstifte 16, die die Winkeldrehung des Drehteiles begrenzen, sind von außen her einstellbar.

In der Halterung 18 ist eine Torsionsstange 25 gelagert, die mit einer konischen Fläche 19 und einem entsprechenden

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Ringkragen 21 an der Halterung abgestützt und festgeschraubt und mit einer Konusfläche 33 und einem Ringkragen 27 an dem Drehteil 30 befestigt ist. Zur Zentrierung des Drehteiles 30 dient ein Kugellager 31, zwischen dessen Kugelkranz und Innenring ein Spiel 31 besteht, wodurch die'Torsionsstange 25, die die beiden konischen Abschnitte 19 und 33 miteinander verbindet, gegen Stöße geschützt wird, ohne daß bei normalem Betrieb nennenswerte Reibungen auftreten könnten. Um die Torsionsstange 25 leicht aus dem Drehteil 30 herausziehen zu können, ist der Ringkragen 27 konisch ausgebildet.

In dem Drehteil 30 ist ferner der Kleinmotor 42 angeordnet, der aus einer Welle 37, einem Kern 47, einer Wicklung 38, dem Rotor 36, 46, der in Fig. 1 nur zum Teil dargestellt ist, und zwei Kugellagern 40 besteht, welche den Rotor auf der Welle 37 lagern.

Die Welle 37 des Kleinmotors 42 ist mit Schrauben 39 an dem Drehteil 30 befestigt und gelagert. Zum Anschluß der elektrischen Wicklungen des Kleinmotors 42 sind Verbindungsstücke aus im Inneren der Hohlwelle 37 isoliert angebrachten Steckerbuchsen 42 und Steckerstiften 41, die an den Hohlschrauben 39 isoliert angebracht sind, vorgesehen. Die äußeren Enden der Steckerstifte 41 sind mit Anschlußleitungen 35 verbunden, die an eine externe Stromquelle angeschlossen sind.

Das Drehteil 30 ist an einem Ende über die Torsionsstange 25 an der Halterung 18 befestigt und an seinem anderen Ende mit einem Stift 48 in der Tragplatte 53 gelagert. Der Stift 48 läuft in einer Bohrung, in der sich ein harter

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Lagerstein 50 befindet.

Am unteren Ende des Drehteiles 30 befindet sich ein konischer Stopfen 44, der mit einem Anschlag 45 gegen das Drehteil gesetzt ist. Der Stopfen 44 besitzt vier nach unten abstehende Dämpfungsflossen 52, die in entsprechende Dämpfungskammern 61 der Tragscheibe 53 hineinragen. Wenn der Stopfen 44 gegenüber der Tragplatte 53 gedreht wird, erfolgt im Inneren der Dämpfungskammern eine Flüssigkeitsdämpfung, deren Maß durch den Öffnungsgrad von Bodenöffnungen der Dämpfungskammern bestimmt wird. Die Tragplatte 51 weist Bimetallbleche 54 auf, die sich temperaturabhängig verbiegen. Die vier Bimetallbleche 54 kreuzen einander paarweise in zwei Ebenen 62 und 63, die in der Tragplatte 53 ausgenommen sind. An dieser Tragplatte sind die Bimetallbleche mittels Schrauben 56 derart befestigt, daß sie die Bodenöffnungen der vier Dämpfungskammern entsprechend ihrer thermischen Verbiegung freigeben oder verschließen können.

Die Gewindebohrungen 51 des konischen Stopfens 44 ermöglichen einen Abgleich des Drehteiles mittels Ausgleichsschrauben 49.

In dem Kreiselkompaß sind ferner Kompensationskapseln 57 angeordnet, die aus elastischen Silbermembranen 55 bestehen, welche auf Ringe 58 aufgelötet sind und Luft enthalten. Diese Kapseln haben die Aufgabe des Ausgleichs von Volumenänderungen der Füllflüssigkeit 34 bei Temperaturänderungen. Bei der Füllflüssigkeit handelt es sich beispielsweise um eine Silxconflüssigkeit.

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Der elektrische Anschluß des Kreisels erfolgt durch Durchführungsstücke 17 sowie eine Hülse 11 in der Deckelkappe hindurch, während der Masseanschluß über eine Klemme 14 erfolgt.

Das Gehäuse 22 weist an seiner Außenfläche prismatische Fräsungen 59 und Ausnehmungen 60 auf, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben vorgesehen sind. Auf diese Weise kann das Gehäuse unter genauer Ausrichtung der drei Hauptachsen exakt an einem entsprechenden Gestell montiert werden. Gegenüber der bisherigen Befestigung des Kreisels mittels^ Stifte ist diese Befestigungsart genauer und einfacher.

Eine praktisch hergestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreiselkompasses hat ein Gewicht von 40 g und ein Volumen von 7 cm³. Versuche haben ergeben,daß sich das Gerät zur genauen Ermittlung von Rotationsgeschwindigkeiten von nur wenigen Graden pro Sekunde um die Eingangswelle eignet, während Störungsbeschleunigungen von mehreren 1000 m/sec² um die Motorwelle auftraten. Man kann daher behaupten, daß das erfindungsgemäße Gyrometer große Stör-Beschleunigungen eliminiert und stets eine genaue Information über die an der Eingangswelle herrschende Drehgeschwindigkeit liefert.

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Kreisels besteht darin, daß alle Kupplungen der miteinander verbundenen einzelnen Komponenten durch ineinandergreifende konische Teile erfolgen. Dies ermöglicht eine genaue Zentrierung und axiale Ausrichtung. Die auf Herstellungstoleranzen zurückzuführenden geringen Massenunterschiede

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beeinflussen die Ausrichtung der Komponenten des Kreisels nicht, sondern nur die Klemmung der Konusse. Oberhalb eines bestimmten Mindestwertes können die Klemmungen der Konusse ohne weiteres gesteigert werden.

Die Kupplung einzelner Komponenten mittels konischer Flächen und Halterungskragen hat den Vorteil der gleichmäßigen Verteilung innerer Spannungen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Die Verbindungen sind sowohl in zeitlicher Hinsicht als auch gegenüber Temperaturveränderungen stabil. Diese einfache Kupplungsart hat sich gegenüber Lötverbindungen, die heute in großem Maße durchgeführt werden, als geeigneter erwiesen.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des Kreiselkompasses besteht darin, daß der Differentialtransformator nur eine Spule pro Pol besitzt und diese Spule fest und geometrisch exakt angeordnet ist. Damit ist ein regelmäßiges Ansprechen der einzelnen Spulen des Transformators sichergestellt. Der Transformator weist außerdem eine sehr niedrige "NuIl"-Spannung auf.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Art des elektrischen Anschlusses des Kleinmotors. Nachdem im Inneren der Motorwelle die beiden Anschlüsse hergestellt worden sind, ist der Einbau des Motors in das Drehteil ohne Schwierigkeiten möglich, weil leicht zerbrechliche Drähte, die in anderen Kreiseln am Zentrum der Motorwelle austreten, sowie Lötverbindungen derartiger Drähte entfallen. Durch solche Lötungen können die Kugellager verschmutzt werden.

Die Spannung der Kugellager des Motors ist ausschließlich

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durch die Abmessungen des Schwungrades vorgegeben, das bei der Konstruktion hinsichtlich der Masse entsprechend gewählt werden kann. Dadurch entfällt die Einstellung einer Vorspannung, die üblicherweise dadurch erzielt wird, daß Muttern auf der Welle angezogen werden, um die Innenringe der Kugellager einzustellen. Dabei werden die Kugelkränze nach innen geschoben und beschädigt. Ferner ergibt sich in der Regel eine schräge Lagerausrichtung, weil die Ebene einer Schraubenmutter nie senkrecht zur Achse ist.

Bei dem beschriebenen Kreisel ist ferner die Verwendung von vier Dämpfungen von Bedeutung, die durch die einander kreuzenden vier Bimetall-Lamellen 54, die über die öffnungen 61 auf die Dämpfungsflossen 52 druckmäßig einwirken, erzeugt werden. Die Bimetall-Lamellen 54, die einander kreuzen, sind paarweise in zwei unterschiedlichen Ebenen, in denen sich auch die öffnungen befinden, angeordnet und halten den Dämpfungsfaktor bei unterschiedlichen Temperaturen nahezu konstant. Bei bekannten Kreisein,die lediglich zwei Dämpfungsvorrichtungen mit auf gleicher Ebene angeordneten Bimetall-Lamellen besitzen, ist die Konstanthaltung des Dämpfungsfaktors demgegenüber nur unzureichend.

Ein ganz wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kreisels ist seine kleine·und gedrungene Ausführung. Zur Füllung der Hohlräume genügen wenige Tropfen Siliconflüssigkeit, so daß die volumetrisehen Veränderungen bei Temperaturschwankungen sehr gering sind. Derartige Volumenänderungen können leicht durch die drei Luftkammern in den elastischen Silberkapseln ausgeglichen werden, welche die heute gebräuchlichen teueren und sperrigen Bälge ersetzen.

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Claims

Ansprüche

1. Präzisions-Kreiselkompaß in Kleinstausführung, mit einem Gehäuse, das eine Halterung für ein um eine erste Achse drehbares Drehteil aufweist und mit einem in dem Drehteil gelagerten Rotor, der um eine zu der ersten Drehachse rechtwinklig stehende zweite Drehachse herum rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (30) über eine Torsionsstange (25) mit der Halterung (18) verbunden ist, daß an der Halterung (18) mehrere Pole (32) eines Differentialtransformators (24) angebracht sind, denen an dem Drehteil (30) angebrachte Magnetkerne (28) gegenüberliegen, und daß in dem Drehteil (30) ein Kleinmotor (42) untergebracht ist, dessen fest mit dem Drehteil (30) verbundene Welle (37) hohl ist und als Durchführung für elektrische Verbindungsleitungen (41) dient.

2. Präzisions-Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der hohlen Welle (37) des Kleinmotors (42) leitfähige Hülsen (43) angeordnet sind, in die jeweils einer der in axialer Richtung in die Hohlwelle (37) hineinführenden Leiterstifte (41) unter Kontaktgabe hineinragt.

3. Präzisions-Kreiselkompaß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Gehäuse (22) fest verbundene Halterung (18) für das Drehteil (30) ein Kugellager mit Spiel zwischen Innenring und Kugelkranz aufweist, das das Drehteil in dem Gehäuse zentriert.

4. Präzisions-Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung (18) zwei von außen einstellbare Anschlagstifte (16) vorgesehen sind, die mit Ansätzen (20) in die Bewegungsbahn von Zähnen (23) hin-

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einragen, welche von dem Drehteil (30) abstehen.

5. Präzisions-Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialtransformator (24) zahlreiche Pole (32) aufweist, von denen jeder eine einzige Spule (26) besitzt, und daß die Anzahl der an dem Drehteil (30) angebrachten kreissektorförmigen Magnetkerne (28) der halben Polzahl des Differentialtransformators entspricht.

6. Präzisions-Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Drehteil (30) eine Dämpfungsvorrichtung (44, 45) angebracht ist, die mehrere abstehende Dämpfungsflossen (52) aufweist, von denen jede in einen Dämpfungsraum (61) eines Dämpfungstellers (53) hineinragt.

7. Präzisions-Kreiselkompaß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsteller (53) vier kreuzförmig angeordnete Bimetall-Lamellen (54) aufweist, von denen jeweils zwei Lamellen in unterschiedlichen Ebenen (62, 63) angeordnet sind, und die Bodenöffnungen der Dämpfungsräume (30) temperaturabhängig verändern.

8. Präzisions-Kreiselkompaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (30) in dem Gehäuse (22) von einer Flüssigkeit (34) umgeben ist, und den Kleinmotor (42) in gekapseltem Zustand enthält, und daß innerhalb des' Gehäuses (22) mindestens eine in die Flüssigkeit eingetauchte, ein Gas enthaltende Metallkapsel (55) zum Ausgleich thermische Volumenänderungen der Flüssigkeit vorgesehen ist.

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9. Präzisions-Kreiselkpmpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Komponenten durch Zusammengreifen konischer Flächen mit Halterungskragen miteinander verbunden sind.

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