DE2629721C2 - Federelastische Verbindung zwischen zwei Bauteilen und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

dem, wie sie bei der Verbindungsvorrichtung nach F i g. 1 Verwendung finden;

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer federelastischen Verbindung;

F i g. 6 einen Schnitt durch die zweite Ausführungsform gemäß dem Schnitt nach F i g. 3;

F i g. 7 einen Schnitt entsprechend den Schnitten nach F i g. 3 oder 6 bei der zweiten Ausführungsform im halbfertigen Zustand und

F i g. 8 ein Gyroskop mit federelastischen Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die beiden nachfolgend beschriebenen federelastischen Verbindungen sind insbesondere zur Lagerung des Kardangestells bei einem Gyroskop geeignet Solche federelastischen Verbindungen werden in diesem Zusammenhang benötigt, um eine winkelmäßige Verdrehung des Kardangestells relativ zum Gehäuse des Gyroskops zu ermöglichen und zwar in einem begrenzten winkelmäßigen Bereich um eine zen'-ale Nullstellung, wcbei innerhalb dieses Bereichs ein linear verlau- fendes Rückstellmoment erzeugt werden soll. Die federelastischcn Verbindungen sind jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt

Die federelastische Verbindung gemäß den F i g. 1 bis 3 verbindet eine zylindrische Befestigungswelle 1 des 2s nicht dargestellten Kardangestells mit einem Befestigungsblock 2 am Gehäuse des Gyroskops. Die Welle 1 und der Block 2 fluchten miteinander in der Längsachse 3 und die einander gegenüberliegenden Enden 4 und 5 verlaufen parallel zueinander. An der Endfläche 4 der Welle 1 sind fünf Stifte 6 bis 10 konzentrisch angeordnet, welche parallel zur Achse 3 in Richtung des Blocks 2 zeigen. Entsprechende fünf Stifte 11 bis 15 sind konzentrisch an der Endfläche 5 befestigt, wobei diese Stifte ebenfalls parallel zur Achse 3 verlaufen und in Richtung der Fläche 4 der Welle 1 weisen. Die Stifte 7 und 8 stehen eng beieinander, ebenso die beiden Stifte 9 und 10. Die Stifte 9,10 sind um 90° versetzt zu den Stiften 7, 8 angeordnet. Die entsprechend angeordneten Stiftpaare 12,13 und 14,15 sind diametral zu den beiden vorge- nannten Stiftpaaren angeordnet das heißt, das Stiftpaar 12, 13 befindet sich gegenüber dem Stiftpaar 7, 8 und das Stiftpaar 14,15 gegenüber dem Stiftpaar 9,10.

Zwei Flachfedern 16,17 sind jeweils mit ihren Enden an einander gegenüberliegenden Stiftpaaren befestigt, wodurch sie die Welle 1 mit dem Befestigungsblock 2 federelastisch verbinden. Die Ebenen der beiden Fiachfedern 16 und i7 kreuzen einander rechtwinklig in der Achse 3, wobei die Achse 3 somit die Länge jeder Feder teilt. Jede der Flachfedern 16 und 17, deren Form in F i g. 4 gezeigt ist, besteht aus zwei parallelen Federarmen 18 und 19, die an einem Ende über ein Verbindungsteil 20 miteinander verbunden sind und deren andere Enden längsverlaufende Befestigungstrile 21 und 22 tragen, die durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt sind. Die Endteile 21 und 22 der Feder 16 sind zwischen den Stiften 7 und 8 angeordnet, wobei eine feste Verbindung durch Löten hergestellt wird. Das Verbindungsteil 20 dieser Feder 16 ist zwischen den Stiften 12 und 13 angeordnet und dort verlötet. In entsprechender Weise sind die Endteile 21 und 22 der Feder 17 mit den beiden Stiften 9 und 10 verlötet, während das Verbindungsteil 20 zwischen den Stiften 14 und 15 festgehalten ist.

Die Federarme 18 und 19 der beiden Federn 16 und 17 sind längs der Achse 3 axial versetzt zueinander verschachtelt angeordnet derart, daß auf den Federarm 18 der Feder 16 der Federarm 18 der Feder 17 und der Federarm 19 der Feder 16 der Federarm 19 der Feder 17 folgt Auf diese Weise wird eine relativ steife Verbindung zwischen der Welle 1 und dem Biock 2 erzeugt die jedoch eine Drehung um die Achse 3 erlaubt und bei einer Verdrehung um diese Achse 3 ein mit der Größe der Verdrehung im wesentlichen linear ansteigendes Rückdrehmoment erzeugt

Die beiden Stifte 6 und 11 begrenzen den Verdrehwinkel zwischen der Welle 1 und dem Block 2. Der normalerweise auftretende Verdrehwinkel liegt beispielsweise bei 2° Verdrebweg in jeder Richtung um die Achse 3. Die verdrehbegrenzenden Stifte lassen eine Maximalverdrehung von 5° zu. Wenn die Welle 1 um diesen maximalen Winkelweg in bezug auf den Befestigungsblock 2 in einer Richtung verdreht wird, dann kommt der Stift 6, der an der Welle 1 befestigt ist in Kontakt mit dem Stift 15 des Befestigungsblocks 2. Wird dagegen die Welle 1 um den gleichen Betrag in Gegenrichtung verdreht dann kommt der Stift 11, der am Block 2 befestigt ist in Kontakt mit dem Stift 10 an der Welle 1.

Die gesamte flexible Verbindungsvorrichtung besteht aus Stahl. Die Welle 1, der Befestigungsblock 2 und die Stifte 6 bis 15 sind nickelplattiert Da die gesamte Verbindungsvorrichtung lediglich aus einem Material besteht ist im wesentlichen keine Instabilität vorhanden, welche durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien entstehen würde.

Die Flachfedern 16 und 17 werden vorzugsweise mittels Photoätzen hergestellt, wobei die Maske so gelegt wird, daß die Federarme 18 und 19 parallel zur Kornrichtung des Ausgangsmaterials verlaufen. Die Flachfedern werden nicht plattiert, um die Möglichkeit eines bimetallischen Effekts während des Betriebs zu vermeiden, der auftreten würde durch die Kugelbildung des plattierten Materials an der Federoberfläche während des Hartlötens. Die Verwendung von »Maraging-Steel« für die Federklingen 16 und 17 ermöglicht, daß die Nikkelplattierung an den Stiften während der Bildung der Hartlötverbindung auf das unplattierte Material der Federklingen übergeht.

Eine zweite Ausführungsform ist in den F i g. 5 und 6 gezeigt. Diese federelastische Verbindung besteht aus den gleichen Grundbestandteilen wie in Fig. 1, weist jedoch einen Torsionswiderstand auf, der lediglich halb so hoch ist wie bei der Verbindungsvorrichtung nach Fig. 1. Der Verdrehwiderstand zwischen der Welle 1 und dem Befestigungsblock 2 ist in diesem Fall bestimmt durch zwei Federarme jeder Feder, die in Serie zueinander wirken, während bei der Ausführungsform nach F i g. 1 diese Federarme parallel zueinander wirken.

In den Fig.5 und 6 ist ein Ende des Federarms 18' einer U-förmigen Feder 16' festgehalten zwischen den Stiften T und 8', welche an der Endfläche 4 der Welle 1 befestigt sind. Das Ende des Federarms 19' dieser Feder wird festgehalten zwischen den Stiften 7" und 8" an der Fläche 5 des Befestigungsblocks 2. Letztgenannte Stifte liegen in der Verlängerung der Stifte T und 8'. Das die Federarme 18' und 19' der Feder 16' verbindende Verbindungsteil ist zwischen den beiden Stiften 12' und 13' angerodnet, die weder mit der Welle 1 noch dem Block 2 verbunden sind. In entsprechender Weise ist der Federariii .18' der U-förmigen Blattfeder 17' mit einem Ende zwischen den Stiften 9' und 10' befestigt, die vom Ende der Welle 1 abgehen. Der Federarm 19' dieser Feder ist zwischen zwei Stiften 9" und 10" befestigt, die vom Ende 5 des Blocks 2 abgehen, während der Verbin-

dungsteil der Feder 17' sich zwischen zwei Stiften 14' und 15' befindet, die weder mit der Welle 1 noch dem Block 2 verbunden sind. Die Federn 16' und 17' sind verschachtelt miteinander angeordnet und ihre Ebenen kreuzen sich winkelrecht in der Achse 3.

Die beiden Stifte 6' und 11', welche beide an der Welle 1 angeordnet sind, wirken als Verdrehanschläge. Bei einer übermäßigen winkelmäßigen Verdrehung in der einen Richtung tritt der Stift 7" des Blocks 2 in Kontakt mit dem Stift 6' der Welle 1, während bei einer entsprechenden Verdrehung in Gegenrichtung der Stift 10" des Blocks 2 in Kontakt kommt mit dem Stift W der Welle 1.

Die Herstellverfahren der Verbindungsvorrichtungen gemäß den F i g. 1 bis 3 und 5 und 6 werden nachfolgend anhand der F i g. 7 bezüglich der Herstellung der Vorrichtung nach den F i g. 1 bis 3 beschrieben.

Gemäß F i g. 7 wird ein Ende jedes Stiftes 6 bis 15 mit Preßsitz in eine der zehn Bohrungen der Fläche 4 der Welle 1 eingesetzt. Die Stahlblattfeder 16 wird zwischen die Stifte 7 und 8 und die Stifte 12 und 13 eingesetzt, während die Feder 17 zwischen die Stiftpaare 9 und 10 und 14 und 15 eingesetzt wird, so daß die beiden Federn 16 und 17 verzahnt angeordnet sind und ihre Ebenen sich unter einem rechten Winkel kreuzen. Das untere Ende jedes Stiftes wird in eine entsprechende Bohrung in der Fläche 5 des Befestigungsblocks 2 eingepreßt. Die zentrale Anordnung der Federn 16 und 17 wird erleichtert durch erhöhte Ränder 23 und 24 am Umfang der Flächen 4 und 5.

Um die Stifte 6 bis 15 an der Welle 1 und am Block 2 und die Federn 16 und 17 an Stiften festlegen zu können, werden alle Kontaktbereiche der Stifte mit der Welle und dem Block sowie den Federn mit einem Hartlötmaterial beschichtet. Die gesamte Vorrichtung wird sodann unter Vakuum hartgelötet Die Bauteile können durch ein geeignetes Verbindungsmaterial zusammengehalten werden, welches während dem Löten verdampft. Die Geometrie der Federanordnung ermöglicht eine genaue reproduzierbare Lötverbindung, welche so gestaltet ist, daß die gesamte Länge der Federn frei von Lötstellen ist und somit in ihrer vollen Länge zur Verbiegung zur Verfügung stehen. Infolge des zwangsläufigen Festhaltens der Teile ist es nicht notwendig, während des Lötens eine Schablone oder Hilfsvorrichtung zu verwenden. Während des Lötens wird die Verbindungsvorrichtung in vertikaler Richtung in einem Ofen angeordnet und die Temperatur wird unter einem Vakuum langsam auf 930⁰C erhöht. Diese Ofentemperatur wird für zwei Minuten beibehalten und sodann wird unter Vakuum langsam auf 800⁰C abgekühlt Anschließend wird die Vorrichtung rasch auf Raumtemperatur abgekühlt und sodann wird vergütet, indem die Temperatur unter Vakuum langsam auf 480⁰C gebracht wird. Diese Temperatur wird für drei Stunden beibehalten und anschließend wird abermals rasch auf Raumtemperatur abgekühlt.

Da die gesamte Vorrichtung nur aus einer Materialart besteht, nämlich aus »Maraging-Steel«, tritt bei der Wärmebehandlung kein Schaden auf, der sonst auftreten würde, wenn Materialien unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden wurden. Bei der Wärmebehandlung werden die Federn gehärtet, was dazu führt daß bei der anschließenden Biegebeanspruchung die mechanische Hysterese vermindert ist. In diesem Stadium der Herstellung besteht die Verbindungsvorrichtung aus einem starren Gebilde, welches leicht gehandhabt werden kann und anschließend ohne Beschädigung bearbeitet werden kann. Die beiden verschiedenen Ausführungsformen der elastischen Verbindungsvorrichtung werden anschließend hergestellt durch Abschneiden der Stifte und Federn an verschiedenen Punkten. Das Bearbeiten wird vorzugsweise vorgenommen durch Funkenerosion.

Die Verbindungsvorrichtung nach den F i g. 1 bis 3 wird erzeugt von der starren Verbindungsvorrichtung durch Anbringen von Schnitten nahe den Flächen 4 und 5. Die Schnitte nahe der Fläche 4 trennt die Stifte 11 bis 15 von der Welle 1 zusammen mit denjenigen Teilen der Federn 16 und 17, welche zwischen den Stiften 12 und 13 und den Stiften 14 und 15 gehalten sind. Die Schnitte nahe der Fläche 5 trennen die Stifte 6 bis 10 vom Block 2, wobei gleichzeitig diejenigen Teile der Federn 16 und 17 abgetrennt werden, die sich zwischen den abgetrennten Teilen der Stifte 7 und 8 und 9 und 10 befinden. Somit ergibt sich ein Aufbau entsprechend den F i g. I bis 3.

Die federelastis^he Verbindungsvorrichtung nach den F i g. 5 und 6 wird von der starren Vorrichtung erzeugt durch Schnitte nahe den Flächen 4 und 5 und zwischen den Federarmen der Federn. Die Schnitte nahe den Flächen 4 und 5 trennen die Stifte 12 bis 15 und die entsprechenden Abschnitte der Federn 16 und 17 zwischen den Stiften 14 und 15 von der Welle 1 und dem Block 2 ab. Die Schnitte nahe der Fläche 5 trennen die Stifte 6 und 11 vom Block 2, während diejenigen Schnitte zwischen den Federarmen die Stifte 7 bis 10 in die Stiftabschnitte T bis 10', getragen von der Welle 1, und 7" bis 10" getragen vom Block 2, trennt, so daß sich ein Aufbau gemäß den F i g. 5 und 6 ergibt.

Die so hergestellten elastischen Verbindungsvorrichtungen dienen u. a. dazu, in einem Gyroskop gemäß F i g. 8 eingebaut zu werden. Der Gyroskop gem. F i g. 8 verwendet zwei derartige federelastische Verbindungsvorrichtungen.

Gemäß F i g. 8 ist der Kardanring 101 des Gyroskops drehbar in einem zylindrischen Gehäuse 102 angeordnet, wobei Drehungen um die Längsachse 103 des Gehäuses 102 ausgeführt werden können. Der Kardanring 101 ist mit dem Gehäuse 102 verbunden durch zwei einander gegenüberliegende federelastische Verbindungsvorrichtungen 104 und 105. Bei einer winkelmäßigen Verdrehung des Kardanringes 101 um die Achse 103 erzeugen diese Verbindungsvorrichtungen ein elastisches Rückstellmoment. Ein induktiver Meßwertaufnehmer 107, bestehend aus einem ferromagnetischen Stator 108 am Gehäuse 102 und einem ferromagnetischen Rotor 109 am Kardanring 101 ermöglichen die Messung der winkelmäßigen Verdrehung des Kardanrings 101 relativ zum Gehäuse 102 mittels eines Wechselstromes.

Ein elektrisch angetriebener Rotor 110 des Gyroskops wird vom Kardanring 101 getragen und wird drehbar gelagert von einem H-förmigen hydrodynamischen gasgeschmierten Lager 111, welches im Kardanring 101 angeordnet ist, so daß der Rotor um die Längsachse 112 drehbar ist, wobei diese Längsachse rechtwinklig zur Achse 103 verläuft. Dreht der Rotor 110 um die Achse 112, dann wird jede winkelmäßige Bewegung des Gehäuses 102 um die Achse 113, welche rechtwinklig zu den beiden Achsen 103 und 112 verläuft, umgesetzt in eine Drehbewegung des Kardanrings 101 um die Achse 103. Die Präzessioa die sich hierbei ergibt, wird von den federelastischen Verbindungen 104 und 105 aufgenommen, so daß die resultierende winkelmäßige Drehung des Kardanrings 101 um die Präzessionsachse

103 in Übereinstimmung ist mit der winkelmäBigen Geschwindigkeit, mit welcher das Gehäuse 101 um die Achse 113 dreht. Der Meßwertaufnehmer 107 gibt ein mit dieser winkelmäßigen Drehung übereinstimmendes elektrisches Wechselstromsignal ab, welches zwischen den Ausgangsanschlüssen 114 und 115 liegt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Federelastische Verbindungsvorrichtung zwischen zwei gegeneinander um eine Achse verdrehbaren Bauteilen, bestehend aus zwei bei Verdrehungen eine Rückstellkraft erzeugenden radial verlaufenden und auf Biegung beanspruchten Blattfedern, von denen jede mit ihrem einen Ende am einen Bauteil und mit ihrem anderen Ende am anderen Bauteil befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bauteile starre axial gerichtete Stiftpaare trägt und jede der Federn (16, 17) mit ihrem einen Ende zwischen einem Stiftpaar (7,8; 9,10) des einen Bauteils (1) und mit ihrem anderen Ende zwischen einem Stifipaar (12,13; 14,15) des anderen Bauteils (2) festgehalten ist

2. Verbindungsvcn ichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der beiden Federn (16,17) einander unter einem rechten Winkel schneiden, wobei die Schnittlinie jeweils bei der halben Federlänge verläuft

3. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bauteile (1, 2) mindestens einen weiteren axialen Stift (6) trägt der zusammen mit einem Stiftpaar des jeweiligen anderen Bauteils als Anschlag zur Begrenzung des Verdrehwinkels dient

4. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stiftpaar des einen Bauteils einem Stiftpaar des anderen Bauteils diametral gegenübersteht wenn die Verbindungsvorrichtung sich in Grundstellung befindet und daß jede Feder (16,17) zwei parallele Federarme (18,19) aufweist die an einem Ende miteinander verbunden sind und daß das andere Ende jedes Federarms von jeweils einem der Stiftpaare gehalten wird.

5. Verfahren zur Hersteilung einer federelastischen Verbindung gem. einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Schritt die vier Stiftpaare (7 bis 15) mit jeweils einem Ende am einen Bauteil (1) befestigt werden, jedes Ende jeder Feder (16, 17) zwischen zwei Stiften eines Stiftpaares befestigt wird, danach die anderen Enden der vier Stiftpaare am anderen Bauteil (2) befestigt werden und danach jedes Stiftpaar so abgeschnitten wird, daß jede Feder mit einem Ende zwischen einem Stiftpaar eines der Bauteile und mit dem anderen Ende zwischen dem Stiftpaar des anderen Bauteils angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Stiftpaare nahe dem einen Bauteil und die beiden anderen Stiftpaare nahe dem anderen Bauteil abgeschnitten werden (Fig. 1).

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser zwei parallele Federarme (18', 19') aufweist und daß ein Ende beider Federarme jeder Feder (16', 17') zwischen einem ersten Stiftpaar (7 bis 10) zweier benachbarter Stiftpaare und das andere Ende beider Federarme jeder Feder zwischen einem anderen Stiftpaar (12 bis 15) zweier benachbarter Stiftpaare zwischen den Federarmen und die beiden anderen Stiftpaare jeweils nahe der Bauteile (1,2) durchtrennt werden (Fig. 5).

10 Die Erfindung betrifft eine federelastische Verbindung zwischen zwei gegeneinander um eine Achse verdrehbaren Bauteilen, bestehend aus zwei bei Verdrehungen eine Rückstellkraft erzeugenden radial verlaufenJen und auf Biegung beanspruchten Blattfedern, von denen jede mit ihrem einen Ende am einen Bauteil und mit ihrem anderen Ende am anderen Bauteil befestigt ist Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen federelastischen Verbindung. Eine federelastische Verbindung der vorgenannten Art ist der US-PS 32 77 555 entnehmbar. Hierbei werden zwei Flachfedern verwendet, von denen jede mit einem Ende an einer ersten drehbaren Muffe und mit dem anderen Ende an einer zweiten drehbaren zur ersten Muffe koaxialen Muffe befestigt sind, so daß bei einer winkelmäßigen Verdrehung der beiden Muffen die Federn eine Rückstellkraft ausüben. Jede Muffe weist axial verlaufende die Federenden festklemmende Haltestücke auf, die sich jeweils in die andere Muffe erstrecken.

Der Hauptnachteil dieser bekannten federelastischen Verbindung besteht in der schwierigen Herstellung der Stanz- und Prägeteile der Haltestücke und insbesondere in der genauen Befestigung der Federn an den beiden Muffen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die federelastische Verbindung im Aufbau einfach auszubilden und einen einfachen Zusammenbau zu erreichen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen federelastischen Verbindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die Verwendung von Stiftpaaren zum Festhalten der Federn ist es möglich, einen vereinfachten Aufbau und eine vereinfachte Montage zu erhalten. Durch das Festhalten der Federenden zwischen zwei Stiften ist der Ort und die effektive Länge jeder Feder bei der federelastischen Verbindung präzis definiert.

Bei dem so vorgeschlagenen Aufbau sind nur einfach ausgebildete Bauteile erforderlich. Zusätzliche Bauteile zum Halten der Federn sind nicht erforderlich, wodurch insbesondere das Problem vermieden wird, welches sonst bei der Verwendung von Bauteilen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftritt. Der offene und frei zugängliche Aufbau vermeidet auch den Nachteil, daß sich während der Herstellung und dem Gebrauch Schmutz in der federelastisehen Verbindung sammeln kann.

Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung weist einen ersten Schritt auf, bei welchem vier Stiftpaare mit einem Ende am einen Bauteil befestigt werden, sodann jedes Ende jeder heder zwischen zwei Stiften befestigt wird, danach die anderen Enden der vier Stiftpaare am anderen Bauteil befestigt werden und als letzter Schritt jeweils gegenüberliegende Stiftpaare am jeweils anderen Bauteil durchschnitten werden.

Dieses Herstellverfahren ist sehr einfach und auch maschinell durchzuführen.

Zwei Formen einer federelastischen Verbindung und ihre Herstellung werden nachfolgend beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform;

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-Il in F i g. 3; F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie Ill-Ill in F i g.

2, F i g. 4 die Ausbildung einer von zwei identischen Fe-

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