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Kreisel
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Die Erfindung betrifft einen Kreisel mit einem Rotor entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger, durch die DE-AS 1 473 892 bekannt gewordener Kreisel
weist zum Antrieb des Rotors einen elektrischen Synchronmotor auf, der somit ständig
von außerhalb mit Strom versorgt werden muß. Weil das Gelenkstück als stegförmige
Einschnürung der Achse zwischen dem ersten starren und dem zweiten schwenkbaren
Teil der Rotorachse ausgebildet ist, kann diese Kreiselanordnung nur einachsig ausgeführt
werden. Eine zweiachsige Anordnung entsprechend der DE-AS 1 798 436 bedingt einen
vollständigen zweiten Kreisel gleicher Bauart, der um 900 verdreht an den ersten
Kreisel angesetzt ist. Für bestimmte Anwendungen, z.B. beim Einbau in eine nur einmal
verwendbare Rakete, ist der Aufwand dieser bekannten Kreiselanordnung zu hoch.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kreisel der eingangs
genannten Art zu schaffen, dessen Antrieb ohne äußere Stromversorgung auskommt,
der ein von der Rotordrehzahl unabhängiges Ausgangssignal ermöglicht und der in
einfacher Weise sowohl mit einer als auch mit zwei Schwenkachsen bzw. Meßachsen
ausgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche
wiedergegeben.
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Der erfindungsgemäße Kreisel hat durch die Anordnung der Gelenkstücke,
die sowohl zweiteilig in einer Ebene oder vierteilig in zwei zueinander senkrechten
Ebenen
ausgeführt werden können, den großen Vorteil, nur durch eine
geringe Änderung der Rotorachse den Kreisel mit zwei oder drei Freiheitsgraden ausführen
zu können.
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Weiterhin kann durch die Schaltungsanordnung ein stets von der Drehzahl
unabhängiges Ausgangssignal für die Messung der Rotorauslenkung erzielt werden.
Dabei können je nach der erforderlichen Meßgenauigkeit unterschiedliche Arten von
Abgriffen zur Messung der Rotorauslenkung angewendet werden. Die Messung direkt
an den zwei oder vier Gelenkstücken hat dabei den Vorteil, daß durch die zwei Meßabgriffe
in einer Ebene Meßfälschungen durch eventuelle Torsionsbelastungen ausgeglichen
werden können. Weiterhin kann der Kreisel mit elektrischer Fesselung oder nur federgefesselt
durch die Gelenkstücke und mit üblichen Dämpfungsmöglichkeiten ausgeführt werden.
Wegen seines einfachen Aufbaus ist der erfindungsgemäße Kreisel besonders für einmalige
Kurzeinsätze z.B. bei gelenkten Flugkörpern geeignet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen elektrisch gefesselten
Kreisel mit zwei Freiheitsgraden, einen elektrischen Meßabgriff und einem Schaltungsplan
für die elektrische Fesselung in Verbindung mit einer Kompensation eines Drehzahlabfalls;
Fig. 2 einen Kreisel wie Fig. 1 in perspektivischer Darstellung mit einem Meßabgriff
durch Dehnungsmeßstreifen; Fig. 3 einen mit Schaumstoff gedämpften elektrisch gefesselten
Kreisel mit drei Freiheitsgraden,
Meßabgriffen mit Dehnungsmeßstreifen
und einem Schaltplan wie Fig. 1; Fig. 4 einen federgefesselten Kreisel mit drei
Freiheitsgraden, Flüssigkeitsdämpfung und einer Schaltung nur zur Kompensation des
Drehzahlabfalls; Fig. 5 einen Kreisel mit zwei Freiheitsgraden und starrer Fesselung
durch eine kraftmessende Einrichtung mit Piezoelementen; Fig. 6 einen Kreisel mit
zwei Freiheitsgraden und einer weichen Fesselung mit Weg- oder Winkelgebern durch
einen magnetischen Meßabgriff und Fig. 7 einen Kreisel entsprechend Fig. 1 mit pneumatischem
Antrieb.
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Der in der Fig. 1 dargestellte elektrisch gefesselte Kreisel 10 mit
zwei Freiheitsgraden dient zur Messung der Winkelgeschwindigkeit (Eingangsgröße
oE) eines Trägers, vorzugsweise eines Flugobjekts, und besteht im wesentlichen aus
einem Gehäuse 11 mit Gehäusedeckel 21, einer fest damit verbundenen Rotorachse 2
mit ihren durch das vorzugsweise zweiteilige Gelenkstück 8a und 8b (sh. auch Fig.
4) unterteilten Teilen 2a und 2b, einem mit dem schwenkbaren Teil 2b der Rotorachse
verbundenen Rahmen 12 mit Lagerachse 13, auf der auf Kugellagern 14 eine Nabe 15
mit einem Rotor 5 umläuft, einem an der Nabe 15 mit einem Haken 16a angreifenden
Federantrieb 16 und zwei mit dem Gehäuse 11 fest verbundenen Momentengeberspulen
17. Der Schwerpunkt des Rotors 5 befindet sich etwa in der Mitte der Gelenkstücke
8a, 8b auf der Linie 6, wodurch bei einer Meß-
auslenkung die Drehimpulsrichtung
mit der Achsrichtung 7 des Rotors 5 stets koaxial bleibt. Die Momentengeberspulen
17 bilden mit zwei an den Rahmen 12 angesetzten Platten 12a zusammen einen Momentengeber,
der die Rotorachse 26 in ihrer Lage elektrisch fesselt. Die Verwendung des hier
im Ruhezustand dargestellten Federantriebes 16 weist darauf hin, daß der Kreisel
10 besonders für einen Kurzzeitbetrieb, z.B. für den Einbau in einen Flugkörper,
geeignet ist. Nachdem der Federantrieb 16 den Rotor 5 in sehr kurzer Zeit auf seine
Nenndrehzahl gebracht hat, hängt der Federhaken 16a durch Nachlassen des Federmomentes
in bekannter Weise selbsttätig aus der Nabe 15 aus und der Rotor 5 läuft antriebslos,
also mit abnehmbarer Drehzahl. Eine Messung der Auslenkung des schwenkbaren Teils
2b der Rotorachse um die Gelenkstücke 8a und 8b erfolgt mit einem elektrischen Meßabgriff
18. Damit die Drehzahl bzw. Drehimpulsänderung keine Änderung des Ausgangssignals
des Kreisels 10 während der Messung bewirkt, ist eine Meßeinrichtung mit einer Kompensationsschaltung
vorgesehen, die aus dem elektrischen Momentengeber 17 und 12a, dem Meßabgriff 18
und einem am Gehäuse 11 angebrachten Abgriff 20 für die Drehzahl oR des Rotors 5
besteht. Die Kompensationsschaltung soll ein Ausgangs- oder MeBsignal 22 erzeugen,
welches unabhängig von der Drehzahl oR des Rotors 5 stets proportional der MeßgröBe
aus dem Meßabgriff 18 ist. Der Meßabgriff 18 ist dazu über eine Leitung 19 mit einem
Verstärker 23 und einem Regler 24 verbunden. Der Regler 24 führt dem Momentengeber
17, 12a den der Meßgröße entsprechenden Strom zu, welcher in einem Multiplizierer
25 mit dem reziproken Wert der Rotordrehzahl xR aus dem Drehzahlabgriff 20 multipliziert
wird, wodurch das von der Rotordrehzahl unabhängige Ausgangs- oder Meßsignal 22
erhalten wird.
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Die perspektivische Darstellung eines Kreisels 40 entsprechend Fig.
2 zeigt eine Variante des gefesselten Kreisels 10 nach Fig. 1. Hier ist zu erkennen,
daß das Gelenkstück 8 zweiteilig aus zwei federnden Gelenkstücken 8a und 8b besteht
und somit der Kreisel 40 nur zwei Freiheitsgrade aufweist. Der Meßabgriff für die
Auslenkung des Rotorteils 2b erfolgt hier durch an den Gelenkstücken 8a und 8b angeordnete
Dehnungsmeßstreifen 41, die über Leitungen 42 zu einem Verstärker 43 geführt sind.
Der Verstärker 43 kann entsprechend Fig. 2 mit dem hier nicht dargestellten Regler
24 und Multiplizierer 25 verbunden sein. Da hier der Gehäusedeckel 21 fortgelassen
ist, ist der Federantrieb 16 gut zu erkennen. Die Zeichnung zeigt den Moment nach
dem Hochlauf des Rotors 5, nachdem der Federhaken 16a aus der Nabe 15 ausgehängt
ist.
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Ein in der Figur 3 dargestellter Kreisel 50 mit drei Freiheitsgraden
weist, trotzdem mit ihm zweiachsige Messungen vorgenommen werden können, den nahezu
gleichen einfachen Aufbau wie die Kreisel 10 und 40 auf.
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Nur ist die Rotorachse 2 durch in zwei Ebenen angeordnete Gelenkstücke
51a, 51b, 51c und 51d unterteilt, die wiederum den starren mit dem Gehäuse verbundenen
Teil 2a von dem hier in zwei Ebenen schwenkbaren und mit einem zusätzlichen Rahmen
52 zur Aufnahme der Gelenkstücke 51c und 51d versehenen oberen Teil 2b trennen.
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Die Messung der Achsabweichungen erfolgt an den Gelenkstücken 51a
- 51 d in gleicher Weise wie bei den Wendekreiseln 10 und 40 durch Meßabgtiffe 53,
die entsprechend Fig. 1 elektrische Meßabgriffe oder entsprechend Fig. 2 Dehnungsmeßelemente
sein können. Der innere Rahmen 12 ist hier zur Dämpfung des schwenkbaren Teils 2b
der Rotorachse mit einem dämpfenden Material
54 ausgefüllt. In
gleicher Weise können auch die in den anderen Figuren gezeigten Wendekreisel gedämpft
werden.
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Die Kompensationsschaltung kann in etwa gleicher Art wie die in Fig.
1 beschriebene eingerichtet werden.
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Ein in der Fig. 4 dargestellter Kreisel 60 ähnelt im Aufbau dem in
der Fig. 3 bereits beschriebenen Kreisel 50 mit drei Freiheitsgraden. Es ist hier
in gleicher Weise die Rotorachse 2 vorhanden, die den durch die zweiteiligen Gelenkstücke
51a bis 51d unterteilten festen, mit dem Gehäuse verbundenen Teil 2a und den schwenkbaren
Teil 2b aufweist. Der schwenkbare Teil 2b ist hier auch mit einem zusätzlichen Rahmen
61 und dieser mit einem in eine dämpfende Flüssigkeit 62 eintauchenden Rahmen 63
verbunden, an den oben die Lagerachse 13 angesetzt ist. Um den oberen Teil des Rahmens
63 ist die Flüssigkeit 62 in einem Balg 64 gehalten, der zugleich die Abdichtung
der mit der Flüssigkeit 62 gefüllten Kreiselräume gegenüber den übrigen Kreiselteilen
vornimmt. Der Meßabgriff kann in gleicher, bereits in der Fig. 3 beschriebenen Weise
eingerichtet sein. Da hier die Flüssigkeitsdämpfung vorgesehen ist, kann die elektrische
Fesselung entfallen. Somit kann auch die Kompensationsschaltung zum Erhalt eines
von der Drehzahl unabhängigen Ausgangssignals 22 einfacher gehalten werden. Dazu
werden die Werte aus den Meßabgriffen 53 paarweise über Leitungen 65 und 66 zu dem
Verstärker 23 und dem Multiplizierer 25 geführt, in dem die verstärkte Meßgröße
mit dem reziproken Wert der Drehzahl oR aus dem Drehzahlabgriff 20 multipliziert
wird.
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In der Fig. 5 ist ein Kreisel 70 mit starrer Fesselung der Rotorachse
2b bzw. der Rotorlagerachse 13 durch eine kraftmessende Einrichtung dargestellt.
Die kraft-
messende Einrichtung besteht aus zwei Piezoelementen
71, die in einem Haltering 72 in den Gehäusedeckel 21 eingesetzt sind. An die Piezoelemente
71 ist je eine Meßleitung 73 angeschlossen, die über eine gemeinsame Leitung 74
zu einem Verstärker 75 und dann in den Multiplizierer 25 weitergeleitet wird, in
dem die Meßgröße aus den Piezoelementen 71 mit dem reziproken Wert des Drehzahlabgriffs
20 multipliziert wird zur Erzeugung des von der Rotordrehzahl unabhängigen Ausgangssignals
22 Die Piezoelemente 71 erzeugen ein Meßsignal, welches proportional der durch das
Prazessionsmoment des Kreisels 70 verursachten Haltekraft ist, Die durch die Gelenkstücke
8a und 8b erzeugte Rückstellkraft kann durch die Eichung eliminiert werden und ist
deshalb nicht zu berücksichtigen.
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Die Fig. 6 zeigt einen weich gefesselten Kreisel 80, der sich in seinem
Aufbau von der Fig. 5 nur durch seinen magnetischen Abgriff im Gehäusedeckel 21
unterscheidet. Dazu ist der Kreisel 80 mit einem Weg- oder Winkelgeber in Form von
einem magnetischen Meßabgriff versehen, bestehend aus einer auf der Rotor-Lagerachse
13 angeordneten Permanentmagnetkappe 81 und von im Gehäusedeckel 21 in einem Haltering
82 eingesetzten Magnetfeldfühlern 83. In den Magnetfeldfühlern 83 wird ein Meßsignal
entsprechend der Auslenkung der Rotor-Lagerachse 13 und somit proportional zum Präzessionsmoment
des Kreisels 80 erzeugt. Das Meßsignal wird den Magnetfeldfühlern 83 über Meßleitungen
84 entnommen und in einer Leitung 85 in ähnlicher Weise wie bei Fig. 5 dargestellt,
einem Verstärker und dann dem Multiplizierer 25 zugeleitet. In ähnlicher Weise kann
die Messung bei weicher Fesselung des Kreisels 80 auch z.B. durch eine optoelektrische
Abtastung vorgenommen werden.
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Die Fig. 7 zeigt einen pneumatisch angetriebenen Kreisel 100, der
bis auf seinen Antrieb ebenso wie der Kreisel 10 in Fig. 1 ausgebildet ist. Der
pneumatische Antrieb kann z.B. durch einen Druckgasspeicher 101 betrieben werden,
der nach Öffnung eines pyrotechnischen Öffnungsventils 102 das Druckgas über ein
Gasleitrohr 103 in eine Düse 104 leitet. Die Düse 104 beaufschlagt einen im Rotor
5 angebrachten Schaufelkranz 105. Auch hier ist wie bei dem Federantrieb 16 nur
ein Kurzbetrieb bis zum Hochlauf des Rotors 5 vorgesehen. Die im Betrieb nachlassende
Drehzahl wird durch die bereits in der Fig. 1 eingehend erläuterte Meßeinrichtung
und Schaltung kompensiert. An Stelle des Druckgasspeichers 101 kann mit ebenso gutem
Erfolg ein Heißgasgenerator mit Feststofftreibsatz eingesetzt werden, wobei das
pyrotechnische öffnungsventil 102 entfallen kann.