Dispositif gyroscopique destiné aux essais de matériaux à la fatigue
La présente invention concerne un dispositif gyroscopique destiné à fournir des contraintes oscillantes ayant une ampleur et une fréquence réglables, notamment utilisé pour les essais à la fatigue des matériaux.
Le but principal de la présente invention est de fournir un dispositif gyroscopique qui peut tre réalisé de manière à fonctionner à des vitesses très élevées avec le double avantage de produire des moments de torsion de grande valeur, avec un faible encombrement et de rendre brève la durée des essais.
Un autre but de l'invention est de permettre au dispositif gyroscopique de travailler en résonance, au-dessous et au-dessus de la résonance, de telle façon que dans le premier cas le moment de torsion engendré par le mécanisme soit considérablement amplifié, tandis qu'en travaillant au-dessus de la résonance, le disposi tif fonctionne, comme machine à épreuve prescrite) et enfin qu'en travaillant au-dessous de la résonance, en raison de la loi spéciale de dépendance du moment de torsion en fonction de la vitesse, le dispositif fonctionne comme machine à déformation prescrite .
Ceux-ci et d'autres buts sont atteints par le dispositif gyroscopique, objet de la présente invention lequel est caractérisé par le fait qu'il comprend une carcasse pouvant osciller autour d'un de ses axes, au moins une masse tournoyante, supportée par ladite carcasse, et dont l'axe rotatif est perpendiculaire à l'axe d'oscillation de ladite carcasse, ledit axe rotatif étant apte à tourner autour d'un axe de révolution perpendiculaire audit axe rotatif, des moyens pour communiquer un mouvement de rotation laudit axe rotatif, et des moyens pour communiquer un mouvement de rotation à ladite masse tournoyante.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple :
la fig. 1 une vue schématique en perspective le long d'un plan transversal d'une première forme d'exécution de l'invention;
la fig. 2 est semblable à la fig. 1, mais dans un plan à 900 par rapport à la précédente;
les fig. 3 et 4, des vues en perspective schématiques pour d'autres formes de réalisation du dispositif suivant l'invention.
En se référant aux fig. 1 et 2, la carcasse 1, contenant le mécanisme est libre d'osciller autour de son axe géométrique x, sur les roulements 2. A l'intérieur de cette carcasse se trouve une boîte 3, mise en rotation par l'arbre 4 qui lui est solidaire et disposé transversalement à l'axe de la carcasse.
Ladite boîte contient, monté sur des roulements spé cipaux, un arbre 5, perpendiculaire à l'arbre 4 et aux extrémités duquel sont calés deux volants 6 (fig. 1). A l'arbre 5 est également fixé l'élément 7, d'un train d'engrenages (qui dans la figure est un couple conique), dont l'autre élément 8 est solidaire de la carcasse.
Lors de la rotation de l'arbre 4, et donc de la boîte 3, l'arbre 5, par conséquent, tourne dans un plan perpendiculaire à 4, (c'est-à-dire dans le plan de la fig. 2) et en mme temps tourne également autour de son axe géométrique.
Le système des volants 6 se trouve donc animé de deux mouvements de rotation, de vitesses proportionnelles et agissant en quadrature. Ceci fait naître un couple de précession proportionnel au moment d'inertie du système des volants et au carré de la vitesse de l'arbre 4, laquelle se manifeste sur un axe idéal constamment perpendiculaire à 4 et 5.
Etant donné que l'arbre 5 tourne dans le plan de la fig. 2, I'axe idéal du couple précité tourne également dans le mme plan, de manière que sur l'axe principal x de la carcasse est disponible une composante de ce couple, dont la valeur est sinusoïdale dans le temps et a comme valeur maximale celle du couple de précession.
Sur l'axe de la carcasse se trouve donc imprimé un moment de torsion oscillant capable d'éprouver à la fatigue de torsion des éprouvettes disposées axialement à la carcasse et maintenues fixes à l'autre extrémité. De mme avec le moment en question, on peut éprouver à la fatigue de flexion plane des éprouvettes disposées transversalement à l'axe de la carcasse. II n'est pas non plus besoin de commenter la possibilité de réaliser des épreuves de traction-compression (au moyen d'un bras appliqué au système oscillant dont fait partie la carcasse) et des épreuves composées.
Le moment de torsion oscillant appliqué à la carcasse peut tre modifié par sauts en construisant les volants démontables et avec continuité en agissant sur la vitesse angulaire de l'arbre 4.
Les fig. 3 et 4 montrent deux autres formes de réalisation de l'invention, où le mouvement de révolution de l'arbre 5 est indépendant de celui de l'arbre 4. Dans ce cas la composante sinusoïdale de pulsation co du couple de précession, sur l'arbre 4 a le module:
C = Jww' où J est le moment d'inertie de l'équipage relatif à l'arbre 5, co la vitesse angulaire de l'arbre 4 et (o' la vitesse angulaire de l'arbre 5.
Le rapport entre les vitesses angulaires co et cl'étant constant (et égal au rapport de transmission du train d'engrenages 7, 8), l'amplitude de la sinusoïde précitée est proportionnelle au carré de a) :
C = kJoz2 et en conséquence sa variation est obtenue avec continuité en modifiant w et par sauts en variant le moment d'inertie J.
Etant donné que, comme il a été dit, co est également la pulsation du couple alterné disponible sur l'axe principal, la dépendance précitée de C par rapport à co peut constituer un inconvénient dans le mécanisme, étant donné qu'elle ne donne pas la possibilité d'effectuer des essais à la fatigue à épreuves diverses, à la mme fréquence.
Par conséquent, en entraînant l'arbre 5 par un moteur, dans le but d'éliminer le train d'engrenages 7, 8 et en imprimant à l'arbre 5 une vitesse angulaire constante, le module C est proportionnel à (o au lieu de Ftre à son carré. Mais, mme avec cette solution, la dépendance entre C et w n'est pas éliminée.
Le problème est au contraire complètement résolu si l'on rend indépendantes les vitesses o et ca', en maintenant constante w, on rend variable o'. Ainsi, en effet, sans avoir jamais à modifier le moment d'inertie J, l'ampleur du couple est proportionnelle à (o' (variable) tandis que la fréquence de travail est égale à (o (constante).
Les solutions pour réaliser l'indépendance de o' et w et la variabilité de o' sont des détails qui ne touchent pas à l'essence de l'invention. On peut atteindre le but en supprimant le train d'engrenages 7, 8 et en entraînant l'arbre S avec un moteur à vitesse variable (fig. 4), tandis que l'arbre 4 est actionné par un moteur à vitesse constante (au moyen d'un lien flexible ou d'une transmission à élément rigides, si ce moteur est fixé à la carcasse).
Il est également possible de maintenir inchangée la configuration du dispositif (et donc de conserver le train d'engrenages 7, 8) mais, au lieu de fixer à la carcasse la roue 8, la mettre en rotation - voir fig. 3 - à une vitesse variable Q. Il est clair alors que la vitesse (o' de l'arbre 5 résulte de la différence entre les vitesses a) et Q et est donc variable suivant les variations de Q. L'arbre 5 est commandé par un moteur au moyen d'un arbre auxiliaire 10 tournant en alignement avec l'arbre 4.
Gyroscopic device for fatigue testing of materials
The present invention relates to a gyroscopic device intended to provide oscillating stresses having an adjustable magnitude and frequency, in particular used for fatigue testing of materials.
The main aim of the present invention is to provide a gyroscopic device which can be produced in such a way as to operate at very high speeds with the double advantage of producing high-value torsional moments, with little bulk and of shortening the duration. tests.
Another object of the invention is to allow the gyroscopic device to work in resonance, below and above resonance, such that in the first case the torque generated by the mechanism is considerably amplified, while that by working above resonance, the device works, as a prescribed test machine) and finally by working below resonance, due to the special law of dependence of the moment of torsion as a function of speed, the device operates as a prescribed deformation machine.
These and other objects are achieved by the gyroscopic device, object of the present invention which is characterized by the fact that it comprises a carcass capable of oscillating around one of its axes, at least one rotating mass, supported by said carcass, and the rotary axis of which is perpendicular to the axis of oscillation of said carcass, said rotary axis being able to rotate about an axis of revolution perpendicular to said rotary axis, means for imparting a rotational movement said rotary axis, and means for imparting rotational movement to said rotating mass.
The attached drawing shows by way of example:
fig. 1 a schematic perspective view along a transverse plane of a first embodiment of the invention;
fig. 2 is similar to FIG. 1, but in a plane at 900 compared to the previous one;
figs. 3 and 4, schematic perspective views for other embodiments of the device according to the invention.
Referring to Figs. 1 and 2, the carcass 1, containing the mechanism is free to oscillate around its geometric axis x, on the bearings 2. Inside this carcass is a box 3, rotated by the shaft 4 which is integral with it and disposed transversely to the axis of the carcass.
Said box contains, mounted on special bearings, a shaft 5, perpendicular to the shaft 4 and at the ends of which are wedged two flywheels 6 (fig. 1). To the shaft 5 is also fixed the element 7, of a gear train (which in the figure is a bevel pair), the other element 8 of which is integral with the carcass.
During the rotation of the shaft 4, and therefore of the box 3, the shaft 5, therefore, rotates in a plane perpendicular to 4, (that is to say in the plane of fig. 2) and at the same time also rotates around its geometric axis.
The flywheel system 6 is therefore animated by two rotational movements, at proportional speeds and acting in quadrature. This gives rise to a precession torque proportional to the moment of inertia of the flywheel system and to the square of the speed of the shaft 4, which manifests itself on an ideal axis constantly perpendicular to 4 and 5.
Since the shaft 5 rotates in the plane of FIG. 2, the ideal axis of the aforementioned torque also rotates in the same plane, so that on the main axis x of the carcass is available a component of this torque, the value of which is sinusoidal over time and has as a maximum value that of the precessional couple.
On the axis of the carcass is therefore printed an oscillating torque capable of experiencing torsional fatigue test specimens arranged axially to the carcass and held fixed at the other end. Likewise, with the moment in question, it is possible to experience the flat bending fatigue test pieces arranged transversely to the axis of the carcass. There is also no need to comment on the possibility of carrying out tensile-compression tests (by means of an arm applied to the oscillating system of which the carcass is part) and compound tests.
The oscillating torque applied to the carcass can be modified by jumps by constructing the removable flywheels and with continuity by acting on the angular speed of the shaft 4.
Figs. 3 and 4 show two other embodiments of the invention, where the rotational movement of the shaft 5 is independent of that of the shaft 4. In this case the sinusoidal component of pulsation co of the precession torque, on l 'tree 4 has the module:
C = Jww 'where J is the moment of inertia of the crew relative to shaft 5, co the angular speed of shaft 4 and (o' the angular speed of shaft 5.
The ratio between the angular speeds co and c being constant (and equal to the transmission ratio of the gear train 7, 8), the amplitude of the aforementioned sinusoid is proportional to the square of a):
C = kJoz2 and consequently its variation is obtained with continuity by modifying w and by jumps by varying the moment of inertia J.
Since, as has been said, co is also the pulsation of the alternating torque available on the main axis, the aforementioned dependence of C on co can be a disadvantage in the mechanism, since it does not give the possibility of carrying out fatigue tests with various tests, at the same frequency.
Therefore, by driving the shaft 5 by a motor, with the aim of eliminating the gear train 7, 8 and imparting to the shaft 5 a constant angular speed, the modulus C is proportional to (o instead from Ftre to its square But, even with this solution, the dependence between C and w is not eliminated.
On the contrary, the problem is completely solved if we make the speeds o and ca 'independent, by keeping w constant, we make o' variable. Thus, in fact, without ever having to modify the moment of inertia J, the magnitude of the torque is proportional to (o '(variable) while the working frequency is equal to (o (constant).
The solutions for achieving the independence of o 'and w and the variability of o' are details which do not affect the essence of the invention. The goal can be achieved by removing the gear train 7, 8 and driving the shaft S with a variable speed motor (fig. 4), while the shaft 4 is driven by a constant speed motor (at by means of a flexible link or a transmission with rigid elements, if this motor is fixed to the frame).
It is also possible to keep the configuration of the device unchanged (and therefore to keep the gear train 7, 8) but, instead of fixing the wheel 8 to the frame, set it in rotation - see fig. 3 - at a variable speed Q. It is clear then that the speed (o 'of the shaft 5 results from the difference between the speeds a) and Q and is therefore variable according to the variations of Q. The shaft 5 is controlled by a motor by means of an auxiliary shaft 10 rotating in alignment with the shaft 4.