JPS6122885B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はジヤイロ装置に関し、より詳しくは
ジヤイロ装置のバイメタル式回転子組立体に関す
る。

高性能ジヤイロ装置の主な要件は周知のように
回転子の角運動量である。所望の角運動量は所望
の回転子質量について回転子の速度を選定し、あ
るいはその逆に回転子質量を選定することによつ
て得られる。用途によつては回転子の大きさを増
大させることなく回転子の質量を増大させ、所定
の角運動量について回転子速度を減少させること
が望まれている。このことは高密度金属製のリム
部材と低密度金属製の軸受支持ウエツブとを有す
るバイメタル式の回転子により達成される。

バイメタル式のジヤイロ装置即ち重質金属製の
外側リングあるいはリムと、１つの軸線の回りに
回転するように回転子を取付けるための軽質金属
製の軸方向に隔置されたスピン軸受支持ウエツブ
とを有する増大慣性力を供与するためのジヤイロ
装置は既知である。しかしバイメタル式のジヤイ
ロ装置は特に米国特許第3911591号に記載されて
いるような小型のジヤイロ装置には広く用いられ
ていない。その理由は重質即ち高密度金属製のリ
ムと軽質即ち低密度金属製のウエツブとの熱膨張
特性の差によつてスピン軸受（回転軸受）の外レ
ースの大きさまたは形状またはその両者にゆがみ
が生じてジヤイロ装置の性能、作動および使用寿
命を低下させるためである。その上バイメタル式
のジヤイロ装置は変化する温度に露呈されたり作
動速度まで増速される際に遠心力と熱歪み効果の
ため不同の軸方向寸法変化および軸受予負荷変化
を受け、ウエツブ（リム支持ウエツブ）の軸受レ
ースでの軸方向位置が変化する（オイル缶効
果）。一例としてリムとウエツブの間の圧縮応力
の変化による影響が軸方向に不対称即ち回転子組
立体の一側と他側について不対称であると、ジヤ
イロ装置の質量はスピン軸線（回転軸線）に沿つ
て移動する傾向をもつようになり、回転子−回転
子支承フレームの組立体が不平衡となり、認容で
きないジヤイロ装置のドリフトを生ずる。更に上
記米国特許に開示されたパネル取付けされた航空
機の計装としてのジヤイロ装置は空間的に限定さ
れているため一般に半径方向の膨張の余地が少な
い。

従つて熱効果および遠心力効果による軸方向寸
法変化およびスピン軸受の外レースの歪みを除く
手段を設けたバイメタル式のジヤイロ装置の回転
子が要望されている。

バイメタル式のジヤイロ装置に関連した上述の
難点は本発明の教示に従つて解消される。本発明
の好適な実施例によればジヤイロ装置は回転子支
承フレームあるいはハウジング中において１つの
軸線の回りに回転するようにしたバイメタル式の
回転子を具えている。回転子は低回転子速度にお
いて大きな角運動量を供与するための高密度金属
製の外側リングあるいはリムと、回転子のスピン
軸受の外レースを含む１対の軸方向に隔置された
低密度金属製のリム支持ウエツブとを具えてい
る。更に回転子の各々の端面には、スピン軸線の
回りに等角度間隔に半径方向内方に突出するよう
に複数のパツドが形成されている。それらのパツ
ドは回転子のリムと軸受を支持するウエツブの間
の複数の応力集中界面を形成する。各々のウエツ
ブは作動時の熱効果および遠心力効果による歪み
および寸法変化を生じ得る歪みから軸受装置の外
レースをしや断するため各々の上記応力集中界面
に対向して位置された複数の対応する孔を具えて
いる。

応力集中手段である上記パツドは、ウエツブに
形成された上記孔と共同して、各々の歪み除去領
域を囲む閉じたループを形成するように切線およ
び半径方向の歪み線の方向を変化させる。即ちウ
エツブ中に誘起された歪みは１つのパツドからウ
エツブに入り、そのパツドに対向する孔によつて
隣接パツドに向けられ、該隣接パツドに対向する
孔によつて該隣接パツドを経てリムの方向に向け
られ、歪み除去領域を囲んで、元のパツドに戻
る。このように歪み除去領域は、ウエツブの上記
孔と共同して、リムとウエツブとの締りばめおよ
び熱膨張差により生じた歪みが軸受装置の外レー
スに到達するのを阻止し、それにより外レースの
歪みあるいは寸法変化が防止される。

次に図面に示した実施例について説明する。

第１図には航空機の指示計器、例えば上述の米
国特許第3911591号に記載されている形式の航空
機の姿勢指示器に使用する標準的なパネル取付け
されたジヤイロ装置１０のピツチジンバル組立体
が図示されている。ピツチジンバル組立体は回転
子ハウジング即ち回転子支承フレームないしジン
バル１１と、ジンバルトラニオン１２と、回転子
スピン軸線１４の回りに回転するようにジンバル
１１中に支持されている回転子１３とを具えてい
る。

上述したように、発熱性の計器類が満載されて
いる航空機内の領域に高温が発生するのを防ぐた
め少ない電力で作動するようにジヤイロ装置特に
パネル取付けされた航空機用ジヤイロ計器を設計
することが用途によつては望まれている。このこ
とを実現し且つ設計慣性モーメントを維持する１
つの方法は、回転子の周辺質量を増大させ、それ
に対応して回転子速度を減少させ、それにより回
転子の駆動電流を減少させることである。このよ
うな配虜から、上述したように、回転子１３をバ
イメタル型の設計とすればよいことになる。

回転子１３の構造上の詳細は第２図および第３
Ａ図に図示してある。回転子１３は一般に高密度
金属例えば銀タングステン合金製の外側リム１５
を有し、外側リム１５は低密度金属例えば通常の
軸受鋼製の１対の軸方向に隔置されたウエツブ１
６を介して回転子１３の軸受装置１７に結合され
ている。軸受装置１７はスピン軸線１４の回りに
回転するように回転子組立体を支持するための内
レースと外レース即ち軸受面を具えている。回転
子１３を回転させるための普通の駆動電動機１８
はスピン軸線１４と外側リム１５との間の環状空
所中に配設されている。

バイメタル式の回転子１３は、低回転子速度に
おいて大きな角運動量を供与しそれにより本明細
書中において以下に説明する熱効果に関連する問
題を解消するため、大きな慣性対重量比および大
きな慣性対大きさ比が得られるように設計されて
いる。慣性対重量比または慣性対大きさ比を大き
くすることは回転子１３の周辺部の方に最大量の
質量を分布させることにより達成される。重質金
属製の外側リム１５は周辺質量として作用し所望
の大きな慣性力を与え、軽質金属製のウエツブ１
６は外側リム１５の回転を支持するだけでなく、
最大量の質量が周辺側に分布されたバイメタル式
の回転子１３を形成するように外側リム１５に組
合わされている。

本発明による回転子１３の軸受装置１７は軸受
救体２５の内レース２３および外レース２４をそ
れぞれ含む内側軸受リング２１および外側軸受リ
ング２２を具えている。軸受装置１７は、ジヤイ
ロ装置の騒音や振動を減少させ組立体の作動の確
実性を高めるため、米国特許第3918778号に開示
されている動的に安定化された軸受救体ケージを
具えていてもよい。図示の実施例において外側軸
受リング２２はスピン軸線から半径方向にかなり
伸長させて上述のウエツブ１６を形成させる。

外側リム１５は第２図および第３Ａ図に示すよ
うにほぼ円筒状であり、その円筒の端面には機械
切削により半径方向および軸方向にかなりの深さ
をもつ切欠３２が形成されている。その結果とし
て回転子１３の両側には円筒の内周面に沿つて等
角度間隔に半径方向内方に延長する複数の突起３
３が形成されている。これらの切欠３２により形
成される回転子容積部分はひずみ取り容積部分と
みることができる。円筒の両側には３個ずつの突
起３３があり、それらの突起３３は円筒の一側で
は０゜、120゜および240゜の位置に、他側では60
゜、180゜および300゜の位置に形成されている。
これらの突起３３は外側リム歪み集中パツドとみ
ることができる。各々の外側軸受リング２２は円
板形であり、その円板の厚みは本実施例では切欠
３２の軸方向深さよりも小さい。各々の外側軸受
リング２２は円板の外周に比較的近い個所にせん
孔により形成した比較的大きな120゜の角度間隔
をもつ孔３４を具えている。外側軸受リング２２
は孔３４が突起３３と正確に半径方向に整列する
ように外側リム１５中に組立てる。この組立ては
締りばめによつて行うので突起３３は組立て後に
後述するように外側軸受リング２２中に初期歪み
を誘起させる。突起（即ち外側リム歪み集中パツ
ド）３３はウエツブ１６と界面を形成し、角度間
隔をもつウエツブ回転子界面３１に回転子／ウエ
ツブの内部歪みを集中させる。突起３３の軸方向
および半径方向の大きさに対する孔３４の大きさ
は後述するように回転子１３中にその作動環境範
囲にわたり発生する応力および歪みの大きさの関
数である。

本発明のバイメタル式の回転子１３はその構成
部材の相対的な大きさおよび比率に従つてより多
数の応力除去部３０をもつように設計できるもの
であり、図示のように３つの領域としたのはそれ
が図示の回転子１３の寸法比について最適の構成
であることによる。

第４図と第５図にはそれぞれ従来型のバイメタ
ル式の回転子と本発明のバイメタル式の回転子と
の歪み線パターンが概略的に図示されている。第
４図において理想化された回転子の外側リム４０
はウエツブ４１に締りばめ（焼きばめ）され、そ
れにより回転子−軸受部界面の初期歪みを生じ、
理想化された切線方向歪み線４３が現出する。こ
の初期歪みは回転速度が零で通常の作動温度の場
合にジヤイロ装置を相互に保持する半径方向の圧
縮性界面応力を設定する。この半径方向応力によ
り、第４図の理想化された同心状の歪み線４３に
より示すように外側リムとウエツブの両方に切線
方向歪みが生ずる。半径方向の応力は零回転速度
および最低作動温度において外側リムがウエツブ
から分離しないような大きさを有する。

ジヤイロ回転子にとつて最も重要な通常作動環
境はその熱的環境である。第４図の回転子の温度
が上昇した場合高密度のリム素材例えばタングス
テン鋼合金の熱膨張係数は低密度のウエツブ素材
例えば通常の軸受鋼の熱膨張係数より著しく小さ
いためリム素材はウエツブ素材より少なく膨張
し、ウエツブの外径よりリム４０の内径４１が減
少する。それによる半径方向圧縮応力の増大のた
めウエツブ中の半径方向歪みが増大し、第４図に
破線で示すように軸受レースの内径４４が減少す
る。そのため軸受装置の予負荷および軸受救体の
負荷が影響を受け、ジヤイロ装置の作動および寿
命が終局的に影響を受ける。更に理想化された歪
み線４３は実際にはリム４０およびウエツブの寸
法が完全ではないため達成できないので軸受レー
スの直径および丸味に変化を生ずる。ウエツブの
歪みが増大することの他の望ましくない効果は、
ウエツブが歪みにより軸受レースでのその軸方向
位置を変えようとする傾向をもつことである。各
ウエツブの形状および上述の内部歪みに対する応
答性を完全に同一にすることはできないので、ウ
エツブは不対称歪みを受け、それにより軸受予負
荷に更に影響が生ずるだけでなく、回転子質量の
重心位置がシフトし、ジヤイロ装置のドリフトレ
ートが附随的に増大する。

本発明のバイメタル式回転子によると、第５図
に示すように、リムとウエツブの界面での界面圧
力ないし界面応力により生ずる歪み線の方向を変
え、外側リム１５により誘起される切線方向歪み
およびそれによる半径方向歪みが半径方向から変
位し、ウエツブ１６中において軸受装置１７の外
レースに集中しないようにすることによつて、上
述した問題が解消される。即ち第５図に示すよう
にフオースプロフイルとして図示した界面圧力な
いし界面応力は外側リム１５とウエツブ１６の間
の切欠３２により形成される各別の円周方向に小
さな領域である突起３３のところに生ずる。した
がつてリム圧力によつて生ずる歪みが特定の領域
に集中し、よつてリムが何らかの原因で非円形と
なつている場合の悪影響を低減している。ウエツ
ブの孔３４によつて軸受レース４４からの直接的
な半径方向歪みの道すじを偏向させ、かつウエツ
ブ１６内で発生される歪みを経路４３へと効果的
に指向けて、内レースから遠ざけるようにしてい
る。そのためウエツブ１６と外側リム１５中の歪
み線は第５図に示すように切欠（歪み除去領域）
３２の回りにループを形成し、ウエツブ１６の半
径方向外側部分中にほぼ３角形のパターンを形成
し、ウエツブ１６の内部領域即ち軸受装置１７の
外レース２４に接近することはない。そのため軸
受レース４４の丸さ、ウエツブ１６の平たんさ、
全軸受予負荷および外側リム１５の重心の軸方向
位置は遠心力および作動温度の変化によるウエツ
ブ１６−外側リム１５の界面の圧力変化に対して
不感性になる。

切欠３２および孔３４の大きさは、上述したよ
うに、回転子１３中に生ずる歪みにより外レース
２４が影響を受けることがないような相対値を有
する。更に外側リム１５中に形成された３個の等
角度間隔の突起３３およびそれらの突起３３と半
径方向に整列してウエツブ１６中に形成された３
個の等角度間隔の孔３４は、最適で経済的な組立
て方式を提供すると共に、ウエツブ１６中に生ず
る歪みおよび回転子組立体に対する回転子の軸方
向運動に関して最適の結果を提供する。実際に
は、歪みを解消する領域としてのリムの切欠き３
２によつて、慣性リムをパツドとしての突起３３
間で等間隔の径方向に働く複数のバネ状部に分割
している。これらのバネ状部分は突起３３のとこ
ろで外側リム１５とウエツブ１６の間のバネ剛さ
を減少させる傾向を有し、歪み線を軸受装置１７
の外レースから離れた正確に制御された経路に沿
つて集中させる。また３個以上の切欠３２を形成
すると外側リム１５の上記バネ状部分の有効長さ
が減少し、外側リム１５と突起３３との間のバネ
剛さが増大し、ウエツブ１６中に誘起される歪み
が増大する。本発明の好適な実施例ではウエツブ
１６に形成する孔３４は円形であるが、ウエツブ
１６に形成する孔３４の直径より突起３３の幅を
大きくし、その孔３４が突起３３と孔３４の間お
よび外レースと孔３４の間に十分なウエツブ素材
を提供するようにすれば、孔３４を非円形例えば
楕円形としてもよい。その場合にもウエツブ１６
に形成する孔３４の大きさは経済性および動力学
的要因に従つて定められる。円形の孔３４は非円
形の孔３４より容易に形成できる。孔３４の形状
および大きさの選定に当つては孔３４が突起３３
の応力集中に耐え得るように注意しなければなら
ない。

本実施例においては、第２図に示すように、切
欠３２および孔３４を覆うように回転子１３の表
面を横切つてシム材料のような薄い金属製カバー
５０が設けられている。カバー５０は回転する回
転子上のウインデージドラツグトルクを減少させ
て回転子１３の駆動電力を減少させる。切欠３２
と孔３４とに適当な弾性材料をみたすことによつ
ても、回転するジヤイロ装置により生ずるウイン
デージを防止できる。

第３Ａ図の実施例では外側リム１５の機械切削
により切欠３２を形成するが、第３Ｂ図に示した
変形実施例においてはウエツブ１６の外周の機械
切削により突起３１′と切欠３２′を形成する。孔
３４′は突起３１′と半径方向に整列するようにウ
エツブ１６にせん孔により形成する。ウエツブ１
６の外周の直径を減少させて突起３１′が元の直
径のまま残されるようにしてもよい。

本発明は図示の実施例のみに限定されず、当業
者にとつて自明なそのすべての変形も本発明の範
囲に包含される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のバイメタル式の回転子を取付
けた回転子支承フレームを含むジヤイロ装置の部
分側面図、第２図は本発明のバイメタル式の回転
子の側断面図、第３Ａ図は本発明のバイメタル式
の回転子の平面図、第３Ｂ図は本発明の変形実施
例によるバイメタル式の回転子の平面図、第４図
は本発明によらないバイメタル式の回転子の理想
化された切線方向歪み線およびそれにより誘起さ
れる寸法変化を示す概略的な説明図、第５図は本
発明によるバイメタル式の回転子においてウエツ
ブ中に誘起される切線方向歪みの再指向による軸
受装置外レースの分離状態を示す第４図に類似し
た概略的な説明図である。 図において１０はジヤイロ装置、１３は回転
子、１４は軸線、１５は慣性リム（外側リム）、
１６はウエツブ、１７は軸受装置、３３は応力集
中手段（突起）、３４は孔である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １つの軸線まわりに回転するようになつてい
   るジヤイロ装置のバイメタル式回転子組立体であ
   つて、 (イ) 高密度物質で形成され、かつ第１の熱膨張係
   数を有するほぼ円筒状リム部材と、 (ロ) 比較的低密度物質で形成され、かつ前記リム
   部材よりも熱膨張係数が高いほぼ平らな円形状
   ウエツブ部材と、 (ハ) 前記軸線まわりに回転する前記組立体を支持
   するようになつている前記ウエツブ部材におけ
   る所定の軸受予負荷を有するころがり軸受装置
   と、 (ニ) 前記リム部材および前記ウエツブ部材との間
   に設けられ動作温度範囲にわたつて前記リムと
   前記ウエツブ部材の機械的保全を維持す中間手
   段とを備え、該中間手段は (ホ) 前記リム部材および前記ウエツブ部材の一方
   上の半径方向に延長している複数の中間突起パ
   ツドであつて前記リム部材およびウエツブ部材
   の熱膨張によつて生ずる歪み力を集中させる前
   記中間突起パツドと、および (ヘ) 前記中間突起パツドと径方向で整列し前記ウ
   エツブ部材中の半径方向に延長している複数の
   対応する孔とを備え、該孔によつて前記隣接し
   たパツドに向けて歪み力を導きかつ前記軸受装
   置から解放するようにし、よつて前記軸受装置
   の変形を防止すると共に、動作温度範囲にわた
   つて前記軸受予負荷における好ましからざる変
   化を防止するようにしたことを特徴とするジヤ
   イロ装置用のバイメタル式回転子組立体