EA018251B1 - Передаточное устройство и способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к передаточному устройству, предпочтительно двигательному устройству, обеспечивающему вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и способу обеспечения вращения. Тело (2) установлено для вращения вокруг первой оси (4), второй оси (11) и третьей оси (16). Первая ось (4) расположена относительно второй оси (11) под углом наклона. Вторая ось (11) и/или третья ось (16) представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось устройства. Вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) вызывает изменение угла наклона. Цилиндр (15) прикладывает крутящий момент (21) к телу (2) относительно третьей оси (16) в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось (4) находится под выбранным углом наклона относительно второй оси (11), который больше 0 и меньше 90°. Вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) в направлении уменьшения угла наклона ограничивают таким образом, чтобы угол наклона первой оси (4) относительно второй оси (11) оставался больше 0 и меньше 90°. Тело (2) приводят во вращение вокруг первой оси (4) с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, чтобы обеспечивался постоянный или уменьшающийся угол наклона.

Description

(57) Изобретение относится к передаточному устройству, предпочтительно двигательному устройству, обеспечивающему вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и способу обеспечения вращения. Тело (2) установлено для вращения вокруг первой оси (4), второй оси (11) и третьей оси (16). Первая ось (4) расположена относительно второй оси (11) под углом наклона. Вторая ось (11) и/или третья ось (16) представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось устройства. Вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) вызывает изменение угла наклона. Цилиндр (15) прикладывает крутящий момент (21) к телу (2) относительно третьей оси (16) в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось (4) находится под выбранным углом наклона относительно второй оси (11), который больше 0 и меньше 90°. Вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) в направлении уменьшения угла наклона ограничивают таким образом, чтобы угол наклона первой оси (4) относительно второй оси (11) оставался больше 0 и меньше 90°. Тело (2) приводят во вращение вокруг первой оси (4) с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, чтобы обеспечивался постоянный или уменьшающийся угол наклона.

018251 Β1

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к передаточному устройству, предпочтительно двигательному устройству, и более конкретно к передаточному устройству, предпочтительно двигательному устройству, которое может создавать выходную энергию вращательного движения по меньшей мере на одной выходной оси в ответ на входную энергию вращательного движения на другой оси. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу обеспечения вращения.

Предпосылки создания изобретения

Когда на вращающееся тело действует крутящий момент относительно оси, перпендикулярной оси вращения, это вызывает вращение самой оси вращения вокруг дополнительной оси, которая перпендикулярна как оси приложенного крутящего момента, так и оси вращения. Этот принцип хорошо известен в гироскопах. Эффект называется прецессией.

Из публикации \УО 2005/000623 А2 международной заявки известны приводная система и способ создания высокого вращательного момента при низких скоростях. Приводная система содержит выходной вал, который вращается относительно оси вращения и с которого при использовании снимается выходная мощность, и по меньшей мере одно тело (гироскопический ротор), который функционально соединен с выходным валом таким образом, чтобы приводить выходной вал при осуществлении прецизионного вращения по меньшей мере одного гироскопического ротора вокруг оси вращения выходного вала. Однако в публикации \УО 2005/000623 А2 лишь раскрываются следующие признаки: передаточное устройство, обеспечивающее вращение тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси и содержащее тело, выполненное с возможностью присоединения к источнику двигательной энергии для приведения его во вращение вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, а вторая ось и/или третья ось являются упомянутой по меньшей мере одной выходной осью упомянутого устройства, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который составляет больше 0 и меньше 90°.

Однако согласно описанию публикации \УО 2005/000623 А2 использует прецизионный момент вокруг оси прецессии для того, чтобы создать высокий выходной момент вращения вокруг оси прецессии. Общим признаком для таких систем, как описаны в публикации \УО 2005/000623 А2, является то, что в таких системах тело также должно непрерывно вращаться вокруг третьей оси (т.е. вокруг оси момента вращения в направлении прикладываемого момента вращения) с использованием наружных средств (например, двигателя). В технике широко известно, что невозможно отобрать мощность от прецизионного движения как такового, поскольку тело не вращается вокруг третьей оси, т.е. поскольку угол наклона удерживается постоянным.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения стало создание передаточного устройства, а также способа, обеспечивающих постоянный момент вращения и постоянную скорость вращения вокруг второй оси, так как угол наклона остается постоянным. Следовательно, непрерывно может быть получена постоянная мощность вокруг второй оси при приложении нагрузки на выходной вал двигателя. В результате можно использовать лишь один блок двигателя для получения постоянной и непрерывной мощности и не нужно объединять в одном устройстве более чем одно тело.

Другой целью настоящего изобретения стало создание передаточного устройства и способа, обеспечивающих увеличение скорости вращения вокруг второй оси в результате остановки вращения, вызванного действием противомомента.

Еще одной целью настоящего изобретения стало создание передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и способа, обеспечивающих их упрощение и удешевление, поскольку не требуется использование множества устройств в сочетании или дополнительных механических или электромеханических конструкций, взаимодействующих с осью прецессии. В известных системах, в которых тело непрерывно вращается вокруг третьей оси, направление прецизионного движения меняется при каждом изменении угла наклона на 180°. Аналогичная проблема существует в известных системах, в которых ограничен диапазон углов наклона. В таком случае, после того как тело достигнет одного предела диапазона углов наклона, вращение вокруг третьей оси должно быть изменено на обратное, что вызывает изменение на обратное направление движения прецессии. Чтобы устранить эти проблемы, используются, например, множество устройств известных систем в комбинации или несколько дополнительных механических или электромеханических конструкций, взаимодействующих с осью прецессии. Такие модификации явно усложняют такие систему и увеличивают их стоимость.

Указанные цели достигаются в настоящем изобретении с помощью различных его аспектов, сформулированных в формуле изобретения и описанных далее.

Согласно первому аспекту изобретения создано передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, обеспечивающее вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и это передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, содержит тело, установленное для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая

- 1 018251 ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; средство приложения крутящего момента к телу относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и средство ограничения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, причем передаточное устройство выполнено такой конструкции, чтобы сделать возможным соединение с телом источника двигательной энергии для приведения тела во вращение вокруг первой оси, при этом вращение тела вокруг первой оси происходит с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, при этом тело имеет характерную критическую угловую скорость менее 20000 об/мин, предпочтительно с целью увеличения выходной энергии на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, при этом упомянутую характерную критическую угловую скорость определяют следующим образом: характерная критическая угловая скорость представляет собой критическую угловую скорость тела, когда угол наклона первой оси относительно второй оси равен 45°, когда первая ось проходит, по существу, через центр масс тела, когда тело расположено таким образом, чтобы его момент инерции был, по существу, увеличен до максимума, когда, при несимметричности тела относительно плоскости, проходящей через его центр масс и ортогональной первой оси, из возможных положений при установке тела на первой оси выбирают то, которое обеспечивает меньшее расстояние между центром масс тела и третьей осью, и когда длина соединительного звена составляет 5 мм, если масса тела менее 0,1 кг, 25 мм, если масса тела равна или превышает 0,1 кг, но менее 100 кг, 50 мм, если масса тела равна или превышает 100 кг, но менее 1000 кг, и 100 мм, если масса тела равна или превышает 1000 кг, при этом упомянутая длина соединительного звена представляет собой расстояние от точки пересечения плоскости соединения и первой оси до третьей оси, при этом упомянутая плоскость соединения представляет собой плоскость, которая ортогональна первой оси, проходит через тело и расположена на минимальном расстоянии до оси наклона.

Согласно второму аспекту создано передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, обеспечивающее вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и это передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, содержит тело, установленное для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; средство приложения крутящего момента к телу относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и средство ограничения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, причем передаточное устройство выполнено такой конструкции, чтобы сделать возможным соединение с телом источника двигательной энергии для приведения тела во вращение вокруг первой оси, при этом вращение тела вокруг первой оси происходит с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, при этом угол между вектором крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси, и вектором выходной угловой скорости движения вокруг второй оси задан в диапазоне от 85 до 93°, предпочтительно близко к 90°.

Если угол между вектором крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси, и вектором выходной угловой скорости движения вокруг второй оси задан в диапазоне от 85 до 93°, предпочтительно близко к 90°, то выходная энергия, создаваемая на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, увеличивается. Когда угол между вектором крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси (т.е. вектором приложенного крутящего момента), и вектором выходного движения превышает 90°, то, даже если угол наклона является постоянным, вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона невозможно прекратить полностью, в результате чего выходной крутящий момент снижается.

Согласно третьему аспекту изобретения создано передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, обеспечивающее вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и это передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, содержит тело, установленное для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая

- 2 018251 ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; средство приложения крутящего момента к телу относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, которое больше 0° и меньше 90°; и средство ограничения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, причем передаточное устройство выполнено такой конструкции, чтобы сделать возможным соединение с телом источника двигательной энергии для приведения тела во вращение вокруг первой оси, при этом вращение тела вокруг первой оси происходит с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; а также дополнительно содержит один или более датчиков для определения значений одного или более из следующих параметров: вращения вокруг первой оси, и/или вокруг второй оси, и/или вокруг третьей оси, угловой скорости вращения вокруг первой оси, и/или вокруг второй оси, и/или вокруг третьей оси, положения тела и/или первой оси, и/или второй оси, и/или третьей оси, крутящего момента при вращении вокруг первой оси, и/или вокруг второй оси, и/или вокруг третьей оси, а также силы.

Согласно четвертому аспекту создано передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, обеспечивающее вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и это передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, содержит тело, установленное для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; средство приложения крутящего момента к телу относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и средство ограничения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, причем передаточное устройство выполнено такой конструкции, чтобы сделать возможным соединение с телом источника двигательной энергии для приведения тела во вращение вокруг первой оси, при этом вращение тела вокруг первой оси происходит с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; а также дополнительно содержит средство механического ограничения вращения тела вокруг оси наклона в обоих направлениях в диапазоне между значением нижнего предельного угла и значением верхнего предельного угла и средство регулирования этих значений предельных углов во время работы передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, до выбранного значения нижнего предельного угла более 0 и менее 90° и значения верхнего предельного угла более выбранного значения нижнего предельного угла и менее 90°.

Согласно пятому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при выполнении способа используют тело с характерной критической угловой скоростью менее 20000 об/мин, предпочтительно с целью увеличения выходной энергии на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, при этом упомянутую характерную критическую угловую скорость определяют следующим образом: характерная критическая угловая скорость представляет собой критическую угловую скорость

- 3 018251 тела, когда угол наклона первой оси относительно второй оси равен 45°, когда первая ось проходит, по существу, через центр масс тела, когда тело расположено таким образом, чтобы его момент инерции был, по существу, увеличен до максимума, когда при несимметричности тела относительно плоскости, проходящей через его центр масс и ортогональной первой оси, из возможных положений при установке тела на первой оси выбирают то, которое обеспечивает меньшее расстояние между центром масс тела и третьей осью, и когда длина соединительного звена составляет 5 мм, если масса тела менее 0,1 кг, 25 мм, если масса тела равна или превышает 0,1 кг, но менее 100 кг, 50 мм, если масса тела равна или превышает 100 кг, но менее 1000 кг, и 100 мм, если масса тела равна или превышает 1000 кг, при этом упомянутая длина соединительного звена представляет собой расстояние от точки пересечения плоскости соединения и первой оси до третьей оси, при этом упомянутая плоскость соединения представляет собой плоскость, которая ортогональна первой оси, проходит через тело и расположена на минимальном расстоянии до оси наклона.

Согласно шестому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при выполнении способа крутящий момент к телу относительно третьей оси прикладывают, по меньшей мере, отчасти за счет веса тела.

Согласно седьмому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем способ дополнительно содержит этап, на котором измеряют значения одного или более из следующих параметров: вращения вокруг первой оси, и/или вокруг второй оси, и/или вокруг третьей оси, угловой скорости вращения вокруг первой оси, и/или вокруг второй оси, и/или вокруг третьей оси, положения тела и/или первой оси, и/или второй оси, и/или третьей оси, крутящего момента при вращении вокруг первой оси, и/или вокруг второй оси, и/или вокруг третьей оси, а также силы.

Согласно восьмому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что

- 4 018251 обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при выполнении способа механическим путем ограничивают вращение тела вокруг оси наклона в обоих направлениях диапазоном между значением нижнего предельного угла и значением верхнего предельного угла и при одновременном обеспечении вращения во время работы передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, регулируют эти значения предельных углов до выбранного значения нижнего предельного угла больше 0 и меньше 90° и значения верхнего предельного угла больше выбранного значения нижнего предельного угла наклона и меньше 90°.

Согласно девятому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при выполнении способа выходную энергию, созданную на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, увеличивают путем уменьшения расстояния между центром масс тела и второй осью.

Согласно десятому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при выполнении способа выходную энергию, созданную на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, увеличивают путем уменьшения вариации угла между нормальным вектором первой плоскости рамы и нормальным вектором второй плоскости рамы, где плоскость рамы представляет собой плоскость, проходящую через не лежащие на одной прямой три точки рамы, внутри которой установлено передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство.

Согласно одиннадцатому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при вы

- 5 018251 полнении способа выходную энергию, созданную на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, увеличивают путем уменьшения вариации угла между вектором выходной угловой скорости движения вокруг упомянутой по меньшей мере одной выходной оси и нормальным вектором плоскости рамы, где плоскость рамы представляет собой плоскость, проходящую через не лежащие на одной прямой три точки рамы, внутри которой установлено передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство.

Согласно двенадцатому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения вокруг по меньшей мере одной выходной оси, предпочтительно вокруг по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси и/или третьей оси в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси; причем при выполнении способа выходную энергию, созданную на упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, увеличивают путем уменьшения вариации угла между вектором угловой скорости при вращательном движении тела вокруг первой оси и нормальным вектором плоскости тела, где плоскость тела представляет собой плоскость, проходящую через не лежащие на одной прямой три точки тела.

Согласно тринадцатому аспекту изобретения создано передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, обеспечивающее вращение вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и это устройство содержит тело, установленное для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось представляет собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось упомянутого устройства, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; средство приложения крутящего момента к телу относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и средство ограничения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, причем упомянутое устройство выполнено такой конструкции, чтобы сделать возможным соединение с телом источника двигательной энергии для приведения тела во вращение вокруг первой оси, при этом вращение тела вокруг первой оси происходит с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси, при этом при уменьшении угла наклона в качестве средства ограничения используют нагрузку, приложенную к третьей оси, чтобы произвести отбор энергии, возникающей на третьей оси.

Согласно четырнадцатому аспекту изобретения создан способ обеспечения вращения тела вокруг по меньшей мере одной выходной оси, и этот способ содержит следующие этапы: устанавливают тело для вращения вокруг первой оси, вращения вокруг второй оси и вращения вокруг третьей оси, причем первая ось расположена под углом наклона относительно второй оси, вторая ось и/или третья ось представляют собой упомянутую по меньшей мере одну выходную ось, при этом вращение тела вокруг третьей оси вызывает изменение угла наклона; приводят тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость; прикладывают к телу крутящий момент относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона, когда первая ось расположена под выбранным углом наклона относительно второй оси, который больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси оставался больше 0 и меньше 90°, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость и/или выходной крутящий момент при вращении тела вокруг второй оси, причем при выполнении способа производят отбор энергии, возникающей на третьей оси, путем ограничения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона, когда происходит уменьшение угла наклона.

В отношении тринадцатого и четырнадцатого аспектов следует отметить следующее: когда устройство работает в штатном режиме, выработка энергии на третьей оси обеспечивается путем ограничения вращения тела вокруг третьей оси с использованием выходной нагрузки. В то время когда энергия выра

- 6 018251 батывается на третьей оси, тело вращается вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона. Этот способ можно использовать, только если угол наклона находится между 0 и 90°. Для обеспечения непрерывности выполнения этого способа необходимо наличие двух разных периодов. Первый период: на третьей оси вырабатывается энергия путем ограничения вращения тела вокруг третьей оси с использованием выходной нагрузки. Второй период: угол наклона увеличивают путем ограничения вращения тела вокруг второй оси с использованием выходной нагрузки или тормозного механизма. Путем последовательного повторения этих периодов в цикле (период 1, период 2, период 1, период 2) обеспечивается непрерывность выработки энергии в устройстве. Если для ограничения вращения тела вокруг второй оси используется тормозной механизм, энергия вырабатывается только на третьей оси. Если вместо тормозного механизма для ограничения вращения тела вокруг второй оси используется выходная нагрузка, энергия вырабатывается как на второй оси, так и на третьей оси. Например, если для ограничения вращения тела вокруг третьей оси используется пневматический насос, расположенный между выходным валом и внутренним держателем, первый период имеет место, когда на поршень насоса действует сжатие из-за вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона. В первом периоде находящийся под давлением воздух передается на турбину. В результате за счет вращения турбины вырабатывается энергия. Второй период имеет место, когда на поршень действует разрежение за счет ограничения вращения тела вокруг второй оси с использованием тормозного механизма или любой вращающейся выходной нагрузки, например гидравлического насоса. В этом периоде воздух поступает к поршню насоса снаружи. Этот период, кроме того, считается периодом впуска в насос.

Данное передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство, можно использовать в качестве передаточного устройства и/или двигательного устройства. В этом контексте под двигателем не должен пониматься двигатель, преобразующий немеханическую энергию в механическую, например бензиновый или электрический двигатель. В данном случае под двигателем должен пониматься двигатель, преобразующий механическую энергию в механическую энергию, аналогично гидравлическому двигателю. При использовании в этом описании термина передаточное устройство он должен восприниматься как включающий в себя передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что, если наложить ограничения на вращение оси вращения тела (ниже также называемой первой осью или осью собственного вращения) вокруг второй оси, которая расположена под острым углом (ниже также называемым углом наклона) к оси вращения тела, и третьей оси (ниже также называемой осью наклона), которая, по существу, перпендикулярна как первой, так и второй, направление увеличения острого угла приводит к вращению первой оси вокруг второй оси.

Если скорость вращения тела превышает определенное критическое значение, этот приложенный крутящий момент приводит к возникновению реактивного крутящего момента, величина которого превышает величину приложенного крутящего момента и который также направлен вокруг оси наклона, но в противоположную сторону. Этот реактивный крутящий момент приводит к вращению первой оси вокруг оси наклона в направлении уменьшения угла наклона. Однако, если это вращение вокруг оси наклона ограничивается, например, при помощи механических средств, то скорость вращения тела вокруг второй оси увеличивается, что приводит к возникновению полезного источника двигательной энергии. Понятно, что при такой системе средства, используемые для ограничения вращения вокруг оси наклона, не требуют источника энергии, что повышает эффективность передаточного устройства.

Чтобы понять эти явления, полезно рассмотреть следующие случаи (ί)-(ίν), когда тело приводится во вращение вокруг первой оси с различными угловыми скоростями:

(ί) в простейшей ситуации, когда тело вообще не вращается вокруг первой оси, приложение крутящего момента относительно оси наклона в направлении повышения величины острого угла просто вызывает соответствующее вращение первой оси вокруг оси наклона в направлении увеличения угла наклона;

(ίί) если тело приведено во вращение с угловой скоростью (т.е. скоростью вращения), которая меньше критической угловой скорости (т.е. критической скорости вращения), имеют место два результирующих вращения первой оси: не только вращение первой оси относительно оси наклона в направлении увеличения угла наклона, как в случае (1) невращающегося тела, но также и вращение первой оси вокруг второй оси. Этот эффект известен как прецессия. При увеличении скорости вращения тела снижается скорость вращения первой оси вокруг оси наклона, в то время как скорость вращения первой оси вокруг второй оси увеличивается;

(ш) если скорость вращения тела равна критической угловой скорости, по-прежнему имеет место вращение первой оси вокруг второй оси, но больше нет какого-либо вращения первой оси вокруг оси наклона;

(ίν) если тело приводится во вращение с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, то снова имеют место два вращения первой оси, т.е. как вокруг второй оси, так и вокруг оси наклона, но в этом случае вращение вокруг оси наклона происходит в направлении уменьшения угла наклона. Именно тогда, когда скорость вращения тела выше критической угловой скорости, передаточное устройство способно обеспечить полезную энергию вращательного движения (т.е. двигательную энергию) на второй оси и/или оси наклона, каждая из которых или обе вместе могут служить выходными

- 7 018251 осями передаточного устройства.

Если тело приводится во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, то передаточное устройство обеспечивает выходное движение (т.е. вращение) вокруг второй оси и/или выходное движение (т.е. вращение) вокруг третьей оси. Каждое из двух вращений может характеризоваться соответствующей угловой скоростью и соответствующим крутящим моментом. В случае, когда тело приводится во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона также называется реактивным движением. Угловая скорость реактивного движения также называется реактивной скоростью. Крутящий момент реактивного движения также называется реактивным крутящим моментом.

Обнаружено, что критическая угловая скорость тела изменяется в зависимости от геометрии тела, плотности материала тела, угла наклона, величины крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси, и условий окружающей среды, таких как температура окружающей среды и влажность.

Авторы настоящего изобретения обнаружили экспериментальным путем, что входная двигательная энергия, подаваемая в тело для приведения его во вращение, используется для выработки выходной двигательной энергии в форме вращения тела вокруг этой выходной оси с чрезвычайно высокой эффективностью. Как следствие, передаточное устройство, созданное в соответствии с этим принципом, будет очень полезно при применении. Упомянутая по меньшей мере одна выходная ось представляет собой вторую ось и/или третью ось.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при такой конфигурации эффективность передаточного устройства является чрезвычайно высокой. Более того, средство приложения крутящего момента удобным образом работает как переключатель, который инициирует предоставление выходной двигательной энергии.

Средство ограничения установлено, чтобы предотвратить вращение тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона. Как упомянуто выше, так как средство ограничения вращения не требуется перемещать, оно может представлять собой чисто механическое средство, например стопор, который не требует источника энергии, что способствует обеспечению высокой эффективности передаточного устройства.

Чтобы привести тело во вращение вокруг первой оси со скоростью больше критической угловой скорости, с этим телом может быть соединен источник двигательной энергии. В качестве альтернативы вращение тела вокруг оси собственного вращения можно создавать вручную.

Когда крутящий момент прикладывают к телу относительно третьей оси, чтобы увеличить угол наклона, в самом теле возникает поле сил. Например, для цилиндрического тела толщиной бх поле сил по форме идентично полю сил, возникающему в круглом поперечном сечении стержня, который гнут. Это поле сил совместно с вращением тела вокруг первой оси дает движение. Эффективность передачи определяется как эффективность преобразования движения, обеспечиваемого полем сил, в выходное движение вокруг второй оси. Увеличение эффективности передачи приводит к увеличению выходного крутящего момента, т.е. крутящего момента, возникающего относительно выходной оси, и к повышению эффективности передаточного устройства. Эффективность передачи зависит как от прочности материалов, из которых изготовлены части передаточного устройства, на которые действуют переменные силы (силы, направление действия которых на эту часть изменяется), и прочности, обеспечиваемой за счет формы этих частей.

Вращение тела вокруг третьей оси приводит к изменению угла наклона. Это означает, что угол наклона меняется, т.е. увеличивается или уменьшается.

Длина соединительного звена определена как расстояние от точки пересечения плоскости соединения и первой оси до третьей оси, предпочтительно до центра шарнира, где первая ось установлена с возможностью поворота вокруг второй оси. Существует бесконечное множество плоскостей, которые проходят через тело и ортогональны оси собственного вращения. Из этих плоскостей плоскостью соединения является та, которая имеет минимальное расстояние до третьей оси, предпочтительно до центра шарнира.

Что касается первого-пятого аспектов, альтернативный путь определения характерной критической угловой скорости обеспечивается при угле наклона первой оси относительно второй оси, равном 80° вместо 45°. Если силы трения, противодействующие вращению вокруг оси 4 собственного вращения, высоки, такое размещение под углом 80° помогает соответственно увеличить и проверить/подтвердить точность измерения характерной критической угловой скорости за счет уменьшения степени передачи крутящего момента оси собственного вращения на вторую ось, что обусловлено противодействием сил трения вращению вокруг оси собственного вращения.

Предпочтительный вариант первого и пятого аспектов реализуется, если тело имеет характерную критическую угловую скорость меньше 15000 об/мин. Другой предпочтительный вариант первого и пятого аспектов реализуется, если тело имеет характерную критическую угловую скорость меньше 10000

- 8 018251 об/мин. Еще один предпочтительный вариант первого и пятого аспектов реализуется, если тело имеет характерную критическую угловую скорость меньше 5000 об/мин. Все указанные диапазоны значений характерной критической угловой скорости могут быть реализованы в любом из пунктов формулы изобретения.

Так как обязательным является, чтобы во время работы передаточного устройства скорость собственного вращения тела была выше критической скорости, тело с более высоким значением характерной критической скорости должно приводиться во вращение с более высокими скоростями по сравнению с телом, имеющим более низкую характерную критическую скорость. Вращение тела с более низкой скоростью собственного вращения является более выгодным из-за того, что, как известно, потери на трение (например, сопротивление воздуха, трение в подшипниках) увеличиваются экспоненциально со скоростью собственного вращения. Кроме того, при более высоких скоростях собственного вращения в передаточном устройстве, предпочтительно двигательном устройстве, требуется более высокая прочность двигателя в целом, и это может привести к росту затрат при производстве передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства.

Для тел цилиндрической формы с одинаковой плотностью характерная критическая угловая скорость тела увеличивается по мере уменьшения отношения диаметра тела к толщине (т.е. высоте цилиндра).

Для двух разных тел с одинаковой массой, одинаковой толщиной (т.е. высотой) и одинаковой плотностью, но с разной формой, а именно одного цилиндрического, другого в форме кольца, тело в форме кольца имеет меньшую критическую угловую скорость.

Тело с большой массой и большим объемом может не иметь высокой характерной критической угловой скорости. Это означает, что не существует необходимой положительной корреляции между параметром характерная критическая угловая скорость тела и параметром масса и объем тела.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит источник двигательной энергии, который соединен с телом для приведения тела во вращение вокруг первой оси с упомянутой угловой скоростью, превышающей упомянутую критическую угловую скорость.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит средство обратной связи, предназначенное для передачи двигательной энергии от движения тела вокруг упомянутой по меньшей мере одной выходной оси в источник двигательной энергии. При этом можно подать обратно в передаточное устройство по меньшей мере часть выходной энергии, определяемой как произведение выходного крутящего момента и выходной скорости вращения. Средство обратной связи в предпочтительном случае предназначено для передачи в источник двигательной энергии двигательной энергии, достаточной для компенсации потерь энергии, возникающих из-за трения при вращении тела вокруг первой оси в штатном режиме работы. Штатный режим работы определяется как состояние, при котором постоянными являются угол наклона, величина крутящего момента, приложенного относительно третьей оси, и выходная угловая скорость движения вокруг упомянутой по меньшей мере одной выходной оси.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит средство управления источником двигательной энергии, обеспечивающее вращение тела вокруг первой оси с упомянутой скоростью вращения, превышающей критическую угловую скорость.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если средство приложения крутящего момента предназначено для приложения крутящего момента, когда выбранный угол наклона находится в пределах диапазона от 10 до 80°.

Средство приложения крутящего момента может содержать пружину. В дополнение к этому или в качестве альтернативы, средство приложения крутящего момента может содержать одно или более из следующего: гидравлический цилиндр, пневматический цилиндр, электромагнитный цилиндр.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит средство управления величиной крутящего момента, прикладываемого средством приложения крутящего момента.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если средство ограничения предназначено для ограничения вращения тела вокруг третьей оси таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси был больше 10 и меньше 80°.

Обнаружено, что существует оптимальный угол наклона, который зависит от различных факторов, включая требуемый выходной крутящий момент передаточного устройства и требуемую выходную угловую скорость передаточного устройства. Например, когда угол наклона близок к 0°, выходной крутящий момент вокруг второй оси является минимальным, а скорость вращения вокруг второй оси является максимальной. И наоборот, когда угол наклона близок к 90°, выходной крутящий момент вокруг второй оси является максимальным, а скорость вращения вокруг второй оси является минимальной. Из того, что выходная энергия передаточного устройства является произведением выходного крутящего момента и выходной скорости вращения, следует, что для повышения выходной энергии до максимума будет необ

- 9 018251 ходимо выбрать угол наклона, при котором произведение выходного крутящего момента и выходной скорости вращения является максимальным.

Поэтому предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство дополнительно содержит средство регулирования, предназначенное для регулирования угла наклона. В этом случае также могут быть обеспечены средства для выбора требуемой выходной скорости и/или требуемого выходного крутящего момента передаточного устройства и регулирования угла наклона соответственно.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит средство, служащее для выбора требуемой выходной угловой скорости передаточного устройства и вызывающее регулирование упомянутым средством регулирования угла наклона в зависимости от выбранной выходной угловой скорости.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит средство, служащее для выбора требуемого выходного крутящего момента и вызывающее регулирование упомянутым средством регулирования угла наклона в зависимости от выбранного выходного крутящего момента.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если средство ограничения предназначено для предотвращения вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона.

Средство приложения крутящего момента используют для приложения к телу крутящего момента относительно оси наклона с целью увеличения угла наклона. В предпочтительном случае средство приложения крутящего момента позволяет управлять величиной крутящего момента во время работы передаточного устройства при помощи блока управления. Если этим средством приложения крутящего момента, например гидравлическим цилиндром, управляют с использованием подходящего блока управления, то средство приложения крутящего момента может дополнительно служить средством ограничения, чтобы ограничивать реактивное движение вокруг оси наклона и дополнительно регулировать угол наклона до требуемой величины в соответствии с требуемыми выходной скоростью движения, и/или выходным крутящим моментом, и/или требуемыми реактивной скоростью/реактивным крутящим моментом. То есть предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если средство приложения крутящего момента дополнительно служит средством ограничения.

Упомянутое средство приложения крутящего момента служит для приложения крутящего момента к валу вращения и, таким образом, также к телу относительно третьей оси в направлении увеличения угла наклона. Упомянутое средство приложения крутящего момента дополнительно может служить для предотвращения вращения тела вокруг оси наклона в направлении, противоположном направлению приложенного крутящего момента. Упомянутое средство приложения крутящего момента может также служить для регулирования угла наклона до требуемого значения, соответствующего требуемым выходной скорости движения/выходному крутящему моменту и/или требуемым реактивной скорости/реактивному крутящему моменту.

Для приложения к телу крутящего момента относительно оси наклона в направлении увеличения угла наклона, для ограничения реактивного движения в направлении уменьшения угла наклона и для регулирования угла наклона до требуемого значения, соответствующего требуемым выходной скорости движения/выходному крутящему моменту и/или требуемым реактивной скорости/реактивному крутящему моменту, работой упомянутого средства приложения крутящего момента управляют при помощи подходящего блока управления, в который подают входные сигналы от датчиков, например сигналы, характеризующие положение, движение, скорость, касание, крутящий момент и силу. Управляющие сигналы, сгенерированные блоком управления в ответ на входные сигналы, заставляют средство приложения крутящего момента регулировать величину крутящего момента, приложенного к телу относительно оси наклона, ограничивать реактивное движение и регулировать угол наклона до требуемого значения.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если средство ограничения содержит отдельный упор. В предпочтительном случае упор представляет собой средство, которое может прекратить вращение тела вокруг оси наклона без расходования энергии, например стопор или болт.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если первая ось проходит, по существу, через центр масс тела и тело расположено таким образом, чтобы его момент инерции был, по существу, увеличен до максимума.

Первый предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если первая и вторая оси пересекаются. В предпочтительном случае любая или обе из этих осей проходят, по существу, через центр масс тела. Уменьшение расстояния между центром масс тела и второй осью, а также поддержание на минимально возможном уровне вариации этого расстояния увеличивают выходную энергию и повышают эффективность. Когда вторая ось проходит через центр масс тела, эффективность является максимальной, если рассматривать в качестве параметра только это расстояние.

Второй альтернативный предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если первая и вторая оси не пересекаются, в этом случае угол наклона определен как острый угол между первой и второй осями, если смотреть в направлении самого короткого отрезка, соединяющего первую и

- 10 018251 вторую оси. Альтернативным методом выражения этой геометрической взаимосвязи является расположение точки на первой оси и проведение воображаемой линии, проходящей через эту точку и параллельной второй оси. Тогда угол наклона определен как острый угол, под которым первая ось пересекается с этой воображаемой линией.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если тело выполнено такой формы, которая обеспечивает выполнение следующего условия: изменение в поле сил, возникающем в теле при приложении крутящего момента относительно третьей оси, является минимальным во всем 360градусном диапазоне вращения тела вокруг первой оси.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если тело, по существу, имеет цилиндрическую симметрию относительно первой оси и может содержать цилиндр. Возможно, чтобы тело содержало ступицу, диск и кольцевой обод. В предпочтительном случае суммарный вес ступицы и диска меньше веса обода.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если один или более следующих компонентов передаточного устройства изготовлены из материала, имеющего большой модуль упругости: тело, вал, на котором установлено тело, выходной вал, идущий вдоль упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, части передаточного устройства, на которые действуют переменные силы. Материал, имеющий большой модуль упругости, включает любой материал с модулем упругости выше 70 ГПа, предпочтительно выше 100 ГПа. Использование материалов, имеющих высокий модуль упругости, для частей передаточного устройства, на которые действуют переменные силы (силы, направление действия которых на эту часть изменяется), повышает эффективность передачи и, как следствие, увеличивает выходной крутящий момент и повышает эффективность передаточного устройства.

Использование для тела материала, имеющего высокий модуль упругости, увеличивает выходной крутящий момент и повышает эффективность передаточного устройства. Использование для вала, на котором установлено тело, материала, имеющего высокий модуль упругости, увеличивает выходной крутящий момент и повышает эффективность передаточного устройства.

Использование для выходного вала материала, имеющего высокий модуль упругости, увеличивает выходной крутящий момент и повышает эффективность передаточного устройства.

Использование для других частей передаточного устройства, на которые действуют переменные силы (силы, направление действия которых на эту часть изменяется), материала, имеющего высокий модуль упругости, увеличивает выходной крутящий момент и повышает эффективность передаточного устройства. Материал тела выбирается таким образом, чтобы его плотность или распределение плотности соответственно подходили для обеспечения требуемой выходной двигательной энергии передаточного устройства. Так, если требуется большая выходная двигательная энергия, может быть использован такой материал с высокой плотностью, как сталь. Однако может оказаться затруднительным и, следовательно, дорогостоящим придание стали требуемой формы, и поэтому при пониженных требованиях к выходной энергии в качестве альтернативы можно использовать термопластические материалы.

При использовании передаточного устройства из-за наличия внутри него несбалансированных сил могут возникнуть нежелательные вибрации, что является результатом недостаточной симметричности компонентов передаточного устройства относительно упомянутой по меньшей мере одной выходной оси и/или наличия компонента реактивного крутящего момента, который направлен перпендикулярно упомянутой по меньшей мере одной выходной оси. Эта проблема может быть решена путем установки/фиксации передаточного устройства при помощи средств установки передаточного устройства, в предпочтительном случае - путем жесткой установки передаточного устройства на неподвижной опоре. Эта неподвижная опора может представлять собой одно или более из следующего: землю, пол, стену, перекрытие, корпус, контейнер, другой тип опоры, например стойку, раму или каркас.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если для вращения вокруг второй оси установлены один или более противовесов. Противовесы могут быть предназначены для компенсации, по меньшей мере частичной, этих несбалансированных сил путем уменьшения несимметричности и обеспечения центробежной силы, которая уравновешивает реактивный крутящий момент.

Вращение тела вокруг первой оси представлено вектором, называемым вектором собственного вращения. Вектор собственного вращения идентичен вектору угловой скорости, связанному с угловым движением тела вокруг первой оси. Во время вращения тела вокруг первой оси, если к нему прикладывается крутящий момент в направлении увеличения угла наклона, то тело начинает вращаться также и вокруг второй оси. Это вращение тела вокруг второй оси представлено вектором, называемым ниже вектором выходного движения. Вектор выходного движения идентичен вектору угловой скорости, связанному с угловым движением тела вокруг второй оси.

Во время изготовления передаточного устройства угол между вектором крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси (т.е. вектором приложенного крутящего момента), и вектором выходного движения может не составлять 90° из-за производственных допусков. Если угол между вектором приложенного крутящего момента и вектором выходного движения близок к 90°, выходная энергия на второй оси увеличивается и эффективность передаточного устройства повышается. Выходная

- 11 018251 энергия и эффективность увеличиваются до максимума, если этот угол составляет 90°, если рассматривать в качестве параметра только этот угол.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство содержит средство регулирования, предназначенное для регулирования крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси.

Чтобы уменьшить сложность блока управления двигателя, для приложения крутящего момента в направлении увеличения угла наклона, для ограничения реактивного движения в направлении уменьшения угла наклона и для регулирования угла наклона до требуемого значения в соответствии с требуемыми выходной скоростью движения/выходным крутящим моментом и/или требуемыми реактивной скоростью/реактивным крутящим моментом можно использовать многофункциональный механизм.

Многофункциональный механизм содержит средство приложения крутящего момента относительно оси наклона, средство механического ограничения вращения тела вокруг оси наклона в обоих направлениях между значениями нижнего и верхнего предельных углов и средство регулирования значений этих углов во время работы двигателя до выбранного значения нижнего предельного угла между 0 и 90° и (0 и 90° не включены) и значения верхнего предельного угла, находящегося между выбранным значением нижнего предельного угла и 90°.

Многофункциональный механизм в предпочтительном случае содержит датчики определения силы, крутящего момента, положения, движения, скорости и касания.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если средство ограничения, предназначенное для механического ограничения вращения тела вокруг оси наклона в обоих направлениях, представляет собой по меньшей мере один упор.

Другим подходом, который может быть использован либо сам по себе, либо в комбинации с одним или обоими из рассмотренных выше решений для уменьшения нежелательных вибраций, возникающих из-за несбалансированных сил, будет обеспечение множества передаточных устройств, которые могут быть установлены вместе и могут приводиться в действие, по существу, с одинаковой частотой, но с различными соответствующими фазами. В этом случае любые такие вибрации снижаются до минимума, если фазы передаточных устройств расположены на равных интервалах друг от друга. Так, для системы из четырех передаточных устройств фазами будут 0, 90, 180 и 270°.

Таким образом, настоящее изобретение распространяется на узел из передаточных устройств рассмотренного выше типа в комбинации со средствами приведения каждого передаточного устройства во вращение, по существу, с одинаковой частотой, но с различными углами соответствующих фаз, и в комбинации со средствами объединения выходной двигательной энергии передаточных устройств.

В таком случае предпочтительным количеством передаточных устройств является четыре, и передаточные устройства в преимущественном случае могут быть установлены в массив 2x2.

Когда используется система из более чем одного передаточного устройства, для каждой пары передаточных устройств поддержание на минимально возможном уровне вариации угла между векторами выходного движения этих устройств во время их работы увеличивает выходную энергию и повышает эффективность.

Когда используется система из более чем одного передаточного устройства, для по меньшей мере одной пары передаточных устройств вариация угла между векторами выходного движения передаточных устройств в предпочтительном случае составляет менее 5° во время работы передаточного устройства.

Когда используется система из более чем одного передаточного устройства, для каждой пары передаточных устройств поддержание на минимально возможном уровне изменения расстояния между центрами масс этих устройств во время их работы увеличивает выходную энергию и повышает эффективность.

Настоящее изобретение распространяется на транспортное средство, приводимое в действие выходной двигательной энергией передаточного устройства или узла передаточных устройств, который определен выше, например дорожное транспортное средство, воздушное судно или плавучее транспортное средство.

Настоящее изобретение дополнительно распространяется на генератор электричества, приводимый в действие выходной двигательной энергией передаточного устройства или узла передаточных устройств, который определен выше.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется за счет передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, содержащего вторую ось, являющуюся осью вращения второй опоры, выполненной с возможностью вращения; первую ось, являющуюся осью вращения тела, которое с возможностью вращения установлено на первой опоре, выполненной с возможностью вращения, причем первая ось выполнена с возможностью вращения для получения угла наклона между этой осью и второй осью; ось наклона, перпендикулярную упомянутой второй оси, причем к первой оси прикладывают крутящий момент относительно оси наклона в направлении увеличения угла наклона; и средство ограничения, предназначенное для ограничения вращения вокруг оси наклона в направлении уменьшения угла наклона, причем тело приводят во вращение с угловой скоростью, превышающей кри

- 12 018251 тическую угловую скорость, что обеспечивает уменьшение угла наклона, при этом упомянутая вторая ось жестко соединена со второй опорой и/или упомянутая ось наклона представляет собой по меньшей мере одну выходную ось.

Так как из-за инерции тела имеет место задержка между моментом времени приложения крутящего момента относительно третьей оси и моментом времени, когда приложение крутящего момента относительно третьей оси обеспечивает требуемую скорость вращения первой оси вокруг упомянутой по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства, в некоторых ситуациях было бы выгодно уменьшать эту задержку по времени, создавая дополнительный, внешний крутящий момент, действующий на тело относительно второй оси передаточного устройства, чтобы инициировать или ускорить это вращение первой оси вокруг упомянутой по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства.

Поэтому предпочтительный вариант методов пять-двенадцать реализуется, если способ дополнительно содержит создание дополнительного, внешнего крутящего момента, действующего на тело относительно второй оси, с целью обеспечения первоначального ускорения.

Приложение дополнительного, внешнего крутящего момента к телу относительно упомянутой по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства обеспечивает первоначальное ускорение тела относительно упомянутой по меньшей мере одной выходной оси передаточного устройства. Это может быть достигнуто, например, путем физического приведения во вращение выходного вала передаточного устройства либо вручную, либо при помощи дополнительного двигателя.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит управление источником двигательной энергии с целью приведения тела во вращение вокруг первой оси с упомянутой угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость тела.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит выбор угла наклона больше 10 и меньше 80°, причем этот угол наклона представляет собой упомянутый выбранный угол наклона.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит управление величиной крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит ограничение вращения тела вокруг третьей оси таким образом, чтобы угол наклона первой оси относительно второй оси был больше 10 и меньше 80°.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит регулирование угла наклона. Возможно, чтобы способ дополнительно содержал создание требуемой выходной угловой скорости движения вокруг одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, путем регулирования угла наклона. Так, после выбора требуемой выходной скорости движения вокруг одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, т.е. выбора требуемой выходной скорости движения вокруг второй оси или вокруг третьей оси, угол наклона регулируют в зависимости от выбранной выходной скорости. Также возможно, чтобы способ дополнительно содержал создание требуемого выходного крутящего момента относительно одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, путем регулирования угла наклона. Так, после выбора требуемого выходного крутящего момента относительно одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, т.е. выбора требуемого выходного крутящего момента относительно второй оси или относительно третьей оси, угол наклона регулируют в зависимости от выбранного выходного крутящего момента.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит регулирование скорости движения тела вокруг первой оси. Возможно, чтобы способ дополнительно содержал создание требуемой выходной угловой скорости движения вокруг одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, путем регулирования угловой скорости движения тела вокруг первой оси. Так, после выбора требуемой выходной скорости движения вокруг одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, т.е. выбора требуемой выходной скорости движения вокруг второй оси или вокруг третьей оси, скорость движения тела вокруг первой оси регулируют в зависимости от выбранной выходной скорости. Также возможно, чтобы способ дополнительно содержал создание требуемого выходного крутящего момента относительно одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, путем регулирования угловой скорости движения тела вокруг первой оси. Так, после выбора требуемого выходного крутящего момента относительно одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, т.е. выбора требуемого выходного крутящего момента относительно второй оси или относительно третьей оси, скорость движения тела вокруг первой оси регулируют в зависимости от выбранного выходного крутящего момента.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит регулирование крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси. Возможно,

- 13 018251 чтобы способ дополнительно содержал создание требуемой выходной угловой скорости движения вокруг одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, путем регулирования крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси. Так, после выбора требуемой выходной скорости движения вокруг одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, т.е. выбора требуемой выходной скорости движения вокруг второй оси или вокруг третьей оси, крутящий момент, приложенный к телу относительно третьей оси, регулируют в зависимости от выбранной выходной скорости. Также возможно, чтобы способ дополнительно содержал создание требуемого выходного крутящего момента относительно одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, путем регулирования крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси. Так, после выбора требуемого выходного крутящего момента относительно одной из множества упомянутых выходных осей, содержащего по меньшей мере одну выходную ось, т.е. выбора требуемого выходного крутящего момента относительно второй оси или относительно третьей оси, крутящий момент, приложенный к телу относительно третьей оси, регулируют в зависимости от выбранного выходного крутящего момента.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если ограничение вращения тела вокруг третьей оси дополнительно содержит предотвращение вращения тела вокруг третьей оси в направлении уменьшения угла наклона.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит использование некоторого количества созданной энергии вращательного движения для обеспечения вращения тела вокруг первой оси в штатном режиме работы. При этом используемого таким образом количества энергии в предпочтительном случае достаточно для компенсации потерь энергии, возникающих из-за трения при вращении тела вокруг первой оси.

Увеличение жесткости рамы приводит к увеличению выходной энергии и повышает эффективность. Плоскость рамы определена как плоскость, проходящая через любые три точки рамы, не лежащие на одной прямой. Для всех возможных пар плоскостей рамы поддержание во время работы передаточного устройства на минимально возможном уровне вариации угла между нормальным вектором первой плоскости и нормальным вектором второй плоскости увеличивает выходную энергию и повышает эффективность, если рассматривать в качестве параметра только этот угол. Так, предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит поддержание вариации угла между нормальным вектором первой плоскости и нормальным вектором второй плоскости на уровне менее 5°.

Уменьшение колебаний выходного вала относительно рамы во время работы передаточного устройства увеличивает выходную энергию и повышает эффективность. Для всех возможных плоскостей рамы поддержание во время работы передаточного устройства на минимально возможном уровне вариаций угла между вектором выходного движения и нормальным вектором плоскости рамы увеличивает выходную энергию и повышает эффективность. Для всех возможных плоскостей рамы, если угол между вектором выходного движения и нормальным вектором плоскости рамы не изменяется во время работы передаточного устройства, то эффективность является максимальной, если рассматривать в качестве параметра только этот угол. Таким образом, предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит поддержание вариации угла между вектором выходной угловой скорости движения вокруг упомянутой по меньшей мере одной выходной оси и нормальным вектором плоскости рамы на уровне менее 5°.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит поддержание вариации угла между вектором угловой скорости при угловом движении тела вокруг первой оси и нормальным вектором плоскости тела на уровне менее 5°.

Для способа обеспечения вращения, соответствующего настоящему изобретению, важно учитывать угловую скорость, называемую критической выходной скоростью движения вокруг второй оси. Важность критической выходной скорости движения вокруг второй оси осознается, когда к выходному валу, идущему вдоль второй оси, присоединяется нагрузка. Если сопротивление нагрузки, присоединенной к выходному валу, идущему вдоль второй оси, вызывает снижение скорости выходного движения вокруг второй оси ниже критической выходной скорости движения вокруг второй оси, то реактивный крутящий момент исчезает и эффективность двигателя ухудшается. Критическую выходную скорость движения вокруг второй оси можно сравнить со скоростью холостого хода автомобильного двигателя.

Критическая выходная скорость движения вокруг второй оси может быть определена следующим образом:

1) привести тело во вращение вокруг первой оси с угловой скоростью, превышающей критическую угловую скорость, пока не возникнет реактивное движение;

2) путем торможения препятствовать вращению тела вокруг второй оси до тех пор, пока реактивное движение не прекратится. Скорость движения вокруг второй оси в момент, когда прекращается реактивное движение, называется критической выходной скоростью движения вокруг второй оси.

Критическая выходная скорость движения вокруг второй оси меняется с изменением скорости соб

- 14 018251 ственного вращения, т.е. угловой скорости движения тела вокруг первой оси, величины приложенного крутящего момента и угла наклона. Другие оказывающие влияние параметры включают конструкцию системы и условия окружающей среды.

Эффективность передачи также зависит от изгибания тела относительно первой оси во время работы передаточного устройства. Плоскость тела определена как плоскость, которая проходит через любые три точки тела, не лежащие на одной прямой. Для всех возможных плоскостей тела поддержание во время работы на минимально возможном уровне вариации угла между вектором собственного вращения и нормальным вектором плоскости тела увеличивает выходную энергию и повышает эффективность. Для всех возможных плоскостей тела, если угол между вектором собственного вращения и нормальным вектором плоскости тела не изменяется во время работы передаточного устройства, то эффективность является максимальной, если рассматривать в качестве параметра только этот угол.

Предпочтительный вариант пятого-двенадцатого аспектов реализуется, если способ дополнительно содержит следующий этап: регулируют крутящий момент, приложенный к телу относительно второй оси, таким образом, чтобы обеспечивался постоянный или уменьшающийся угол наклона. Другими словами, величину крутящего момента, приложенного относительно второй оси, например, при помощи нагрузки на выходном валу, идущем вдоль второй оси, выбирают таким образом, чтобы обеспечивался постоянный или уменьшающийся угол наклона, т.е. чтобы величина реактивного крутящего момента была равна или превышала величину крутящего момента, приложенного к телу относительно третьей оси.

Уменьшение сопротивления трению в передаточном устройстве повышает эффективность. Например, использование магнитных подшипников и/или использование смазывающих средств, таких как масло или консистентная смазка, для смазывания подшипников и/или размещение передаточного устройства в вакуумном сосуде уменьшают сопротивление трению.

Так как энергия, создаваемая передаточным устройством, является произведением выходного крутящего момента и выходной скорости движения или произведением реактивного крутящего момента и реактивной скорости, то для увеличения этой энергии до максимума будет необходимо выбрать такие скорость собственного вращения вокруг первой оси, величину приложенного крутящего момента относительно третьей оси и угол наклона, при которых произведение выходного крутящего момента и выходной скорости движения или произведение реактивного крутящего момента и реактивной скорости является максимальным.

Предпочтительный вариант первого-четвертого аспектов реализуется, если передаточное устройство дополнительно содержит средство регулирования скорости собственного вращения, средство регулирования приложенного крутящего момента и средство регулирования угла наклона. В этом случае могут быть обеспечены средства для выбора требуемой выходной скорости движения и/или требуемого выходного крутящего момента передаточного устройства и регулирования скорости собственного вращения, приложенного крутящего момента и угла наклона соответственно. Кроме того, могут быть обеспечены средства для выбора требуемой реактивной скорости и/или требуемого реактивного крутящего момента передаточного устройства и регулирования скорости собственного вращения, приложенного крутящего момента и угла наклона соответственно.

Описание чертежей

Эти, а также дополнительные особенности и преимущества изобретения будут лучше поняты при прочтении приведенного далее подробного описания примерных вариантов его реализации, являющихся в настоящее время предпочтительными, вместе с сопровождающими чертежами, на которых:

фиг. 1 - схематично показанный общий вид передаточного устройства, соответствующего предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения;

фиг. 2 - схема, иллюстрирующая относительное расположение осей вращения компонентов передаточного устройства, показанного на фиг. 1;

фиг. 3 - схема, иллюстрирующая направление, в котором прикладывают крутящий момент, чтобы обеспечить выходную двигательную энергию передаточного устройства, показанного на фиг. 1;

на фиг. 4 приведена схема альтернативного приложения крутящего момента;

на фиг. 5 показан один из вариантов испытательного устройства;

на фиг. 6 показан другой вариант испытательного устройства;

на фиг. 7 в увеличенном масштабе приведен один из вариантов средства ограничения, показанного на фиг. 6;

на фиг. 8 приведен второй вариант средства ограничения;

на фиг. 9 приведен третий вариант средства ограничения;

на фиг. 10 показан один из вариантов массива передаточных устройств;

на фиг. 11 показано поле сил;

на фиг. 12 приведена векторная диаграмма и на фиг. 13 показана длина соединительного звена для тела.

Если обратиться к фиг. 1, передаточное устройство 1 содержит тело 2 в виде монолитного цилиндрического маховика, который установлен на валу 3 вращения соосно ему для совместного вращения во

- 15 018251 круг первой оси 4. Вал 3 вращения установлен внутри внутреннего держателя 5 при помощи внутренних подшипников 6. Внутренний держатель 5 установлен внутри внешнего держателя 7 для ограниченного вращения этого держателя 5 вокруг оси 16 наклона при помощи внешних подшипников 8, при этом второй держатель 7, в свою очередь, установлен внутри рамы 9 на подшипниках 10 рамы таким образом, что он может вращаться относительно рамы 9 вокруг второй оси 11, представляющей собой выходную ось передаточного устройства 1. В дополнение ко второй оси 11 или вместо нее выходной осью передаточного устройства 1 является ось 16 наклона.

Вал 3 вращения маховика 2 приводят во вращение вокруг первой оси 4 при помощи электродвигателя 12 или любого другого источника входной двигательной энергии. Электродвигатель 12 может питаться от аккумуляторной батареи. Вал 3 вращения установлен под углом θ наклона относительно второй оси 11 передаточного устройства 1, при этом угол θ наклона больше 0 и меньше 90°.

Это лучше видно на фиг. 2. Ось вращения маховика 2 совпадает с первой осью 4. Маховик 2 установлен таким образом, чтобы первая ось 4 и вторая ось 11 пересекались в центре масс СМ маховика 2. Чтобы проиллюстрировать более понятно положение маховика 2 в пространстве, на фиг. 2 изображена плоскость 13, в которой лежат вторая ось 11 и ось 16 наклона, кроме того, просто для иллюстрации относительного расположения осей 4, 11, 16 показаны три вектора, проходящие в направлениях трехмерной прямоугольной системы координат.

В передаточном устройстве 1, показанном на фиг. 1, для приложения к валу 3 вращения, а за счет этого - также и к маховику 2 крутящего момента относительно третьей оси 16 (определенной как ось наклона, перпендикулярная как первой оси 4, так и второй оси 11), служит гидравлический цилиндр 15. Крутящий момент, прикладываемый цилиндром 15, направлен в сторону увеличения угла θ наклона.

Приложенный крутящий момент вызывает вращение первой оси 4 вокруг второй оси 11 передаточного устройства 1.

Гидравлический цилиндр 15 дополнительно служит для предотвращения вращения первой оси 4 вокруг оси 16 наклона в сторону, противоположную направлению приложенного крутящего момента, т.е. с уменьшением угла θ наклона.

При работе передаточного устройства 1 маховик 2 сначала приводится во вращение вокруг первой оси 4, пока его угловая скорость не превысит заранее определенного критического значения ш_с. После чего приводится в действие гидравлический цилиндр 15, чтобы опосредованно, через внутренние подшипники 6 и вал 3 вращения, приложить к маховику 2 крутящий момент относительно оси 16 наклона и в направлении увеличения угла θ наклона. Это вызывает вращение первой оси 4 вокруг выходной оси 11. Однако из-за вращения маховика 2 с угловой скоростью выше заранее определенного критического значения ш_с вокруг первой оси 4 возникает реактивный крутящий момент, компонент которого также действует относительно оси 16 наклона, но в противоположную сторону, т.е. в направлении уменьшения угла θ наклона. Этот реактивный крутящий момент приводит к вращению первой оси 4 вокруг оси 16 наклона в направлении уменьшения угла θ наклона. Однако это перемещение тогда предотвращает гидравлический цилиндр 15, который действует как упор, препятствующий вращению вала 3 вращения. В результате увеличиваются скорость ω_8ριη вращения маховика 2, скорость вращения вала 3 вращения, скорость вращения первого держателя 5 и скорость ω_ουί вращения второго держателя 7 вокруг второй оси 11, представляющей собой выходную ось. На этой стадии к этой выходной оси передаточного устройства 1 можно присоединить нагрузку.

Работой гидравлического цилиндра 15 управляет блок 17 управления, в который поступают сигналы от датчика (не показан), установленного на гидравлическом цилиндре 15. Управляющие сигналы, сгенерированные блоком 17 управления в ответ на сигналы положения, изменяют гидравлическое давление в гидравлическом цилиндре 15, чтобы повернуть внутренний держатель 5 относительно внешнего держателя 7 на требуемый угол θ наклона.

Блок 17 управления обеспечивает управляющие сигналы для управления скоростью вращения маховика 2 углом θ наклона и величиной приложенного крутящего момента. Как указано выше, углом θ наклона управляют при помощи гидравлического цилиндра 15. За счет управления этими параметрами можно управлять выходной скоростью ω_8ριη вращения передаточного устройства 1.

Для подачи части выходной двигательной энергии, возникающей на второй оси 11, обратно в электродвигатель 12 можно использовать механизм обратной связи в виде ремня 18, генератора 19 переменного тока, электропроводки 20 и блока 17 управления.

Ориентация оси 16 наклона, относительно которой прикладывают крутящий момент, и направление крутящего момента показаны на фиг. 3, где можно видеть, что маховик 2 вращается вокруг первой оси 4, находящейся под углом θ наклона относительно второй (т.е. выходной) оси 11. Крутящий момент, прикладываемый гидравлическим цилиндром 15, действует в направлении, указанном стрелками 21, а реактивный крутящий момент возникает в направлении, указанном стрелкой 22.

Хотя в предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения первая ось 4 и вторая ось 11 пересекаются в центре масс СМ маховика 2, возможны альтернативные конфигурации, при которых первая ось 4 и вторая ось 11 не пересекаются, в этом случае через центр масс СМ маховика 2 может про

- 16 018251 ходить либо первая ось 4, либо вторая ось 11, или ни одна из первой и второй осей 4 и 11 через него не проходят.

Хотя в изображенном передаточном устройстве 1 предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения его выходная ось 11 расположена горизонтально, понятно, что передаточное устройство 1 будет функционировать, когда его выходная ось 11 имеет любую требуемую ориентацию.

Чтобы определить и оценить соответственно параметры конструкции и функционирования передаточного устройства, описанного ранее с использованием фиг. 13, было разработано испытательное устройство. Конструкция этого испытательного устройства и его принцип действия показаны на фиг. 4.

Существенной особенностью этой схемы является то, что крутящий момент прикладывают к оси 16 наклона при помощи установленного с эксцентриситетом тела 2, например монолитного цилиндрического маховика массой т, и что не требуется внешнего устройства для приложения крутящего момента, например цилиндра 15, показанного на фиг. 1. Схема, показанная на фиг. 4, является модификацией и упрощением схемы передаточного устройства, показанного на фиг. 3, так как не требуется внешнего устройства для приложения крутящего момента. Другой значимой особенностью схемы, показанной на фиг. 4, является средство ограничения, предназначенное для ограничения вращения оси 4 собственного вращения вокруг оси 16 наклона.

Испытательное устройство может быть разработано в различных вариантах. Два разных варианта испытательного устройства показаны на фиг. 5 и 6, которые далее рассмотрены более подробно.

Задачей испытательного устройства является обеспечение возможности варьирования одних параметров при одновременном измерении других параметров. Для этой цели в конкретных вариантах испытательного устройства имеются специальные устройства, например устройства сочленения, позволяющие использовать разные вращающиеся тела, регулирующие устройства, предназначенные для регулирования плеча, регулируемое средство ограничения и различные измерительные блоки, предназначенные для определения таких параметров, как скорости вращения и направления вращения различных осей вращения.

На фиг. 4 схематично изображена ситуация, когда масса т тела 2 используется для приложения крутящего момента относительно оси 16 наклона. Тело 2 вращается вокруг первой оси 4, являющейся осью собственного вращения. Ось 4 собственного вращения расположена под углом θ наклона относительно вертикальной второй оси 11, являющейся выходной осью. Ось 4 собственного вращения может вращаться вокруг оси 16 наклона, которая перпендикулярна как этой оси 4, так и вертикальной выходной оси 11. Кроме того, ось 4 собственного вращения может вращаться вокруг выходной оси 11. Таким образом, тело 2 может вращаться вокруг трех разных осей, а именно вокруг оси 4 собственного вращения, вокруг вертикальной выходной оси 11 и вокруг горизонтальной оси 16 наклона.

Тело 2 установлено на первой оси 4 на удалении от точки ΙΡ пересечения, в которой пересекаются первая ось 4, выходная ось 11 и ось 16 наклона. Центр масс СМ тела 2 находится на расстоянии 1 от оси 16 наклона, что приводит к возникновению плеча длиной 1. На тело 2 действует земное тяготение, что приводит к появлению силы тяжести, которая действует в центре масс СМ тела 2

Т_о=т-§ (ур. 1), где д - ускорение свободного падения, имеющее среднюю величину 9,81 м/с².

Сила То, приложенная к телу 2, порождает крутящий момент Т, действующий относительно оси 16 наклона. Величина крутящего момента Т определяется как

Τ=Ρ_ο·1·κίη θ=т·д·1·κ^η θ (ур. 2).

Крутящий момент Т приложен в направлении, указанном стрелками 21. Если тело 2 вращается вокруг первой оси 4 с угловой скоростью ω_8ριη, превышающей критическую угловую скорость ш_с, то в направлении, указанном стрелкой 22, возникает реактивный крутящий момент. Так как величина реактивного крутящего момента больше величины крутящего момента Т, возникающего за счет веса тела, реактивный крутящий момент вызывает уменьшение угла θ наклона. Если тело 2 вращается вокруг первой оси 4 с угловой скоростью ω_8ριη, которая меньше критической угловой скорости ш_с, то реактивный крутящий момент по величине меньше крутящего момента Т, возникающего за счет веса тела, и угол θ наклона увеличивается.

Вращение тела 2 вокруг оси 4 собственного вращения, выходной оси 11 и оси 16 наклона было измерено и записано в ходе экспериментов, которые далее будут представлены при помощи измеренных значений. Предполагается, что вращение оси 4 собственного вращения вокруг выходной оси 11 относится к эффекту прецессии, который хорошо известен в теории твердых тел.

Испытательное устройство по фиг. 5.

На фиг. 5 показан один из вариантов испытательного устройства, работающего в соответствии со схемой, показанной на фиг. 4.

Существенным отличием испытательного устройства, показанного на фиг. 5, по сравнению с вариантом передаточного устройства, показанного на фиг. 1, является то, что тело 2 в испытательном устройстве, показанном на фиг. 5, установлено с эксцентриситетом, создающим плечо длиной 1. Термин эксцентриситет здесь означает, что центр масс СМ тела 2 не находится в точке ΙΡ пересечения, как в случае те

- 17 018251 ла, показанного на фиг. 13. Поэтому на тело 2 воздействует земное тяготение, т.е. тело 2 с массой т прикладывает крутящий момент относительно оси 16 наклона.

Испытательное устройство содержит тело 2, например монолитный цилиндрический маховик, который установлен на валу 3 соосно этому валу для совместного вращения. Продольная ось вала 3 вращения совпадает с осью 4 вращения. Вал 3 вращения с возможностью вращения установлен внутри внутренней рамки 5 при помощи внутренних подшипников 6. Внутренняя рамка 5 при помощи внешних подшипников 8 установлена внутри внешней рамки 7 для вращения вокруг оси 16 наклона. Вторая рамка 7 установлена на выходном валу 110, продольная ось которого совпадает с вертикальной выходной осью 11.

Расположенный вертикально выходной вал 110 опирается на подшипник 40, что позволяет этому валу 110 вращаться вокруг своей продольной оси. Подшипник 40 прикреплен к опоре 41, например треноге, для того, чтобы удерживать выходной вал 110 в положении, когда он проходит вдоль вертикально расположенной выходной оси 11. Опора установлена на земле, например, при помощи винтов.

Ось 4 собственного вращения находится под углом θ наклона относительно выходной оси 11. Тело 2 установлено на первой оси 4 на удалении от точки ΙΡ пересечения оси 4 собственного вращения, выходной оси 11 и оси 16 наклона. Центр масс СМ тела 2 находится на расстоянии 1 от оси 16 наклона. На тело 2 действует земное тяготение, порождая силу тяжести Е_о=т-д, действующую на центр масс СМ тела 2, где т - масса тела 2, а д - ускорение свободного падения, имеющее среднюю величину 9,81 м/с². Сила Р_о, приложенная к телу 2, порождает крутящий момент Т, действующий относительно оси 16 наклона. Величина крутящего момента Т является следующей: Τ=Ρ_ο·1·δίη θ=ιη·§·1·5ίηθ.

Вал 3 вращения содержит средство 33 сочленения, облегчающее соединение с внешним источником двигательной энергии. Внешний источник двигательной энергии, например коловорот или дрель, используется для приведения тела 2 во вращение с угловой скоростью ω_8ριη вокруг оси 4 собственного вращения. Однако также можно обеспечить угловую скорость ω_8ριη тела 2 при помощи любого другого источника входной двигательной энергии, например электродвигателя, который стационарно установлен на теле 2 или на валу 3 вращения.

Испытательное устройство дополнительно содержит средство 210 ограничения, предназначенное для ограничения угла θ наклона допустимым диапазоном. Средство 210 ограничения (на фиг. 5 подробно не показано) может быть встроено во внешние подшипники 8. Средство 210 ограничения ограничивает поворот вала 3 вращения диапазоном между минимальным углом θ^_η наклона и максимальным углом θ^ наклона.

Тело 2 приводится во вращение с угловой скоростью ω_8ριη. Угловая скорость тела 2 в комбинации с крутящим моментом, создаваемым телом 2 относительно оси 16 наклона, вызывает вращение выходного вала 110.

Для тела 2 существует критическая угловая скорость ш_с, которая зависит от угла θ наклона. Целью является определение критической угловой скорости ш_с тела 2. При угле θ наклона между 0 и 90° критическая угловая скорость ш_с может быть определена следующим образом. Предположим, что тело 2 вращается с угловой скоростью ω_8ριη вокруг оси 4 собственного вращения. Если угловая скорость ω_8ριη приводит к вращению вала 3 вращения вокруг оси 16 наклона в направлении увеличения угла θ наклона, т.е. на фиг. 5 - вниз, то угловая скорость ω_8ριη тела 2 ниже критической угловой скорости ш_с. Если угловая скорость ω_8ριη приводит к вращению вала 3 вращения вокруг оси 16 наклона в направлении уменьшения угла θ наклона, т.е. на фиг. 5 - вверх, то угловая скорость ω_8ριη тела 2 выше критической угловой скорости ш_с. Если угловая скорость ω_8ριη не приводит к вращению вала 3 вращения вокруг оси 16 наклона, то угловая скорость ω_8ριη тела 2 равна критической угловой скорости ш_с.

Определение критической угловой скорости ш_с может быть обобщено в следующей программе.

Этап 1. Выбирается значение ω_8ριη угловой скорости движения тела 2 вокруг оси 4 собственного вращения.

Этап 2. Если угловая скорость ω_8ριη приводит к вращению вокруг оси 16 наклона в направлении увеличения угла θ наклона, перейти к этапу 3.

Если угловая скорость ω_8ριη приводит к вращению вокруг оси 16 наклона в направлении уменьшения угла θ наклона, перейти к этапу 4.

Если угловая скорость ω_8ριη не приводит к вращению вокруг оси 16 наклона, то критическая угловая скорость ш_с тела 2 определяется следующим образом: ω₀=ω_8ριη.

Этап 3. Увеличить значение ω_8ριη и перейти к этапу 2.

Этап 4. Уменьшить значение ω_8ριη и перейти к этапу 2.

Критическая угловая скорость ш_с зависит от геометрии и массы тела 2, распределения плотности материала тела, угла θ наклона между осью 4 собственного вращения и выходной осью 11, расстояния 1, т.е. величины крутящего момента, и определенных условий окружающей среды, таких как температура окружающей среды и влажность.

Преимуществом испытательного устройства, показанного на фиг. 5, является то, что тело 2 легко

- 18 018251 можно расположить с использованием любого из двух методов. При первом методе тело 2 можно установить с эксцентриситетом на валу 3 вращения, как показано на фиг. 5, в результате чего центр масс СМ тела 2 находится на расстоянии 1 от точки ΙΡ пересечения. В этой ситуации масса т тела 2 создает крутящий момент Т величиной Т=т-д-1-8ш0 относительно оси 16 наклона. При альтернативном методе тело 2 можно установить на валу 3 вращения таким образом, чтобы центр масс СМ тела 2 находился в точке ΙΡ пересечения, что соответствует предельному случаю 1=0. В этой ситуации масса т тела 2 не создает крутящего момента относительно оси 16 наклона. В этом альтернативном случае, чтобы создать крутящий момент относительно оси 16 наклона, необходимо обеспечить внешнее средство приложения крутящего момента, например цилиндр, который прикладывает постоянный крутящий момент во всем диапазоне углов наклона.

Испытательное устройство по фиг. 6.

На фиг. 6 показан другой вариант испытательного устройства, работающего в соответствии со схемой, показанной на фиг. 4.

Испытательное устройство, показанное на фиг. 6, аналогично испытательному устройству, показанному на фиг. 5, за исключением рамок 5 и 7. Вместо рамок 5 и 7 испытательное устройство, показанное на фиг. 6, содержит выходной вал 110 и поворотную штангу 30. Поворотная штанга 30 установлена с возможностью поворота на выходном валу 110 при помощи шарнира 31, в результате чего поворотная штанга 30 может вращаться вокруг оси 16 наклона. Поворотная штанга 30 проходит вниз за шарнир 31, чтобы сделать возможной совместную работу этой штанги 30 со средством 210 ограничения. Что касается массы поворотной штанги 30, то ее центр масс относительно шарнира 31 расположен таким образом, чтобы на эту штангу 30 отдельно не действовал крутящий момент.

Поворотная штанга 30 содержит подшипник 32, делающий возможным вращение тела 2 вокруг оси 4 собственного вращения, представляющей собой продольную ось поворотной штанги 30. Положение подшипника 32 на поворотной штанге можно изменять для регулирования длины 1 плеча.

Испытательное устройство дополнительно содержит средство 210 ограничения, предназначенное для ограничения допустимого диапазона углов θ наклона. Средство 210 ограничения может быть жестко соединено с выходным валом 110 или поворотной штангой 30. Средство 210 ограничения ограничивает поворот поворотной штанги 30 диапазоном между минимальным углом наклона θ^ и максимальным углом наклона θ^. На фиг. 7 средство 210 ограничения показано в увеличенном масштабе.

В предпочтительном случае элементы испытательных устройств, показанных на фиг. 5 и 6, в частности тело 2, изготовлены из материала, имеющего большой модуль упругости, который предпочтительно выше 70 ГПа, например, такого жесткого материала, как сталь или алюминий.

Средство ограничения.

На фиг. 7 показан первый вариант средства 210 ограничения, предназначенного для ограничения диапазона углов θ наклона. Средство 210 ограничения содержит пару параллельных металлических пластин 221, которые неподвижно закреплены на выходном валу 110 ниже шарнира 31. Металлические пластины 221 расположены на расстоянии друг от друга с образованием вертикального коридора, в котором поворотная штанга 30 свободно может перемещаться вверх и вниз вокруг оси 16 наклона. Каждая из металлических пластин 221 содержит набор отверстий 213.

Наборы отверстий в двух металлических пластинах 221 выровнены друг относительно друга таким образом, чтобы металлический болт 214, 215 можно было ввести горизонтально через два выровненных отверстия 213. Нижний металлический болт 214 вставляют в нижнее положение, таким образом создавая стопор для поворотной штанги 30 при минимальном угле наклона θ^. Верхний металлический болт 215 вставляют в верхнее положение, таким образом создавая стопор для поворотной штанги 30 при максимальном угле наклона θ^.

На фиг. 8 показан альтернативный вариант средства 210 ограничения, предназначенного для ограничения диапазона углов θ наклона. Функционирование средства 210 ограничения, показанного на фиг. 8, аналогично функционированию средства 210 ограничения, показанного на фиг. 7, за исключением положения этого средства 210. В отличие от металлических пластин 221 из пары, показанной на фиг. 7, металлические пластины из пары, показанной на фиг. 8, расположены на шарнире 31 и выше него. Нижний металлический болт 214 вставляют в нижнее положение, таким образом создавая стопор для поворотной штанги 30 при максимальным угле наклона θ^. Верхний металлический болт 215 вставляют в верхнее положение, таким образом создавая стопор для поворотной штанги 30 при минимальном угле наклона θ^.

На фиг. 9 показан еще один вариант средства 210 ограничения. Средство 210 ограничения содержит круглую металлическую пластину 50 с криволинейным отверстием 51, расположенным поблизости от края пластины 50, первый стопор 52 и второй стопор 53, которые выступают относительно пластины 50 и выполнены с возможностью перемещения вдоль отверстия 51, а также болт 54, выполненный с возможностью перемещения в диапазоне между первым стопором 52 и вторым стопором 53. Пластина 50 неподвижно прикреплена к внешнему держателю 7 передаточного устройства 1, показанного на фиг. 1, таким образом, чтобы ось 16 наклона проходила через центр пластины 50 перпендикулярно плоскости

- 19 018251 этой пластины. Шарнир 31, расположенный на оси 16 наклона, проходит через центр пластины 50 и выступает относительно этой пластины. Один конец болта 54 неподвижно прикреплен к выступающему шарниру 31 таким образом, чтобы этот болт 54 проходил под углом 90° относительно оси 16 наклона. Длину болта 54 выбирают таким образом, чтобы поворот этого болта вокруг оси 16 наклона ограничивался первым стопором 52 и вторым стопором 53.

Положения первого стопора 52 и второго стопора 53 можно изменять индивидуально, даже во время работы передаточного устройства 1. Изменение положения первого стопора 52 или второго стопора 53 можно обеспечить, например, при помощи зубчатого механизма. Соответствующие положения первого стопора 52 и второго стопора 53 определяют максимальный угловой диапазон α, в пределах которого болт 54 может поворачиваться относительно оси 16 наклона. При этом допустимый диапазон для угла θ наклона между первой осью 4 и второй осью 11 можно задавать и изменять даже во время работы передаточного устройства 1.

Массив.

На фиг. 10 показан предпочтительный массив 2x2 из четырех передаточных устройств. Массив 2x2 содержит четыре передаточных устройства, аналогичных передаточному устройству 1, показанному на фиг. 1, где рамы 9 четырех передаточных устройств собраны в единую раму 90 массива. Выходные валы 110, расположенные на вторых осях 11 четырех передаточных устройств, выступают с передней стороны рамы 90 массива. Направление действия выходной двигательной энергии каждого из выходных валов 110 изменено при помощи угловых зубчатых передач 29 для объединения соответствующей выходной двигательной энергии четырех передаточных устройств на одном общем выходном валу 36. Каждое из четырех передаточных устройств содержит средство обратной связи, в состав которого входит ремень 18 и генератор 19 переменного тока, для обратной подачи выходной двигательной энергии в передаточные устройства.

Поле сил.

На фиг. 11 показано поле 201 сил, действующих на цилиндрическое тело 2 толщиной άχ. На фиг. 11 показано, что плоскость 200 тела 2 проходит перпендикулярно оси вращения этого тела 2. На фиг. 11 показаны три вектора х, у, ζ, являющиеся осями трехмерной прямоугольной системы координат, чтобы проиллюстрировать ориентацию плоскости 200 и поля 201 сил. Крутящий момент приложен к телу 2 относительно третьей оси 16.

Третья ось 16 расположена на оси х прямоугольной системы координат и проходит через точки А и В плоскости 200 тела. Вектор крутящего момента направлен по оси х прямоугольной системы координат. Направление 21 вращения, вызванного крутящим моментом, определяется с использованием правила правой руки: используя правую руку, укажите большим пальцем направление вектора крутящего момента. Сжатые пальцы покажут направление вращения.

Поле 201 сил состоит из векторов силы. В качестве примера на фиг. 11 показаны четыре вектора 100, 103 поля 201 сил. Для цилиндрического тела 2 толщиной άχ форма поля сил, показанного на фиг. 11, идентична полю сил, возникающему в круглом поперечном сечении стержня, который гнут. Векторы 100 и 101 представляют собой векторы поля 201 сил, имеющие максимальное значение. Они ориентированы в положительном и отрицательном направлении оси ζ соответственно. Векторы 102 и 103 представляют собой векторы поля 201 сил, имеющие меньшее значение, зависящее от их положения в плоскости 201 тела. Они ориентированы в положительном и отрицательном направлении оси ζ соответственно.

Векторы.

На фиг. 12 изображена ориентация векторов, связанных с вращательными движениями, возникающими в передаточном устройстве, соответствующем одному из вариантов реализации настоящего изобретения. На фиг. 12 показан цилиндрический маховик 2 передаточного устройства. Центр масс маховика 2 находится в точке ΙΡ пересечения, где пересекаются первая ось 4, вторая ось 11 и третья ось 16. Плоскость показана только для пояснения относительного расположения осей 4, 11, 16 и маховика 2.

Маховик 2 вращается, при этом ось его вращения совпадает с первой осью 4. Вектор угловой скорости при угловом движении маховика 2 вокруг первой оси 4 обозначен как вектор VI собственного вращения.

К маховику 2 относительно третьей оси 16 (т.е. оси наклона) приложен крутящий момент в направлении увеличения угла наклона между первой осью 4 и второй осью 11. Вектор крутящего момента, приложенного относительно третьей оси 16, обозначен как вектор ν3 крутящего момента, приложенного относительно третьей оси.

Крутящий момент, приложенный относительно третьей оси 16, вызывает прецессию первой оси 4 относительно второй оси 11. Вектор угловой скорости при угловом движении первой оси 4 вокруг второй оси 11 обозначен как вектор ν2 выходного движения.

Длина соединительного звена.

На фиг. 13 приведена схема, иллюстрирующая определение длины соединительного звена. На фиг. 13 показаны первая ось 4 и вторая ось 11 передаточного устройства, соответствующего настоящему изобретению. Обе оси 4, 11 на фиг. 13 лежат в плоскости чертежа. Первая ось 4 закреплена с возможностью

- 20 018251 поворота на второй оси 11 при помощи шарнира, в результате чего первая ось 4 может вращаться на фиг. 13 в плоскости чертежа вокруг центра шарнира 34. Первая ось 4 ориентирована относительно второй оси 11 под углом θ наклона. Первая ось 4 представляет собой ось собственного вращения (т.е. ось вращения) тела 2.

На фиг. 13 показан контур тела 2, которое установлено в передаточном устройстве для вращения вокруг оси 4 собственного вращения, при этом ось 4 собственного вращения проходит через центр масс СМ тела 2 и момент инерции этого тела увеличен до максимального.

На фиг. 13 показан случай, когда тело 2 несимметрично относительно центральной плоскости 250 (т.е. плоскости, проходящей через центр масс СМ тела 2 и ортогональной первой оси 4). В этом случае из двух возможных положений при установке используется положение с меньшим расстоянием между центром масс СМ тела 2 и третьей осью 16, в предпочтительном случае проходящей через центр шарнира 34.

Существует бесконечное множество плоскостей, проходящих через тело 2, которые ортогональны оси 4 собственного вращения. Из этих плоскостей плоскость с минимальным расстоянием до центра шарнира 34 задана как плоскость Р_с соединения. При использовании плоскости Р_с соединения длина 1_с соединительного звена определяется как расстояние от точки пересечения плоскости Р_с соединения и оси 4 собственного вращения до центра шарнира 34. Длина 1_с соединительного звена отличается от длины плеча, определяемой как расстояние от центра масс СМ тела 2 до третьей оси 16.

Эксперименты.

Приведенные далее четыре эксперимента 1-4 были выполнены с использованием испытательного устройства, показанного на фиг. 6. В этих экспериментах были использованы девять различных тел, которые указаны в приведенной далее табл. 1.

Таблица 1

Параметры тел А-Ι

	Форма	Материал	Масса, кг	Внешний диаметр, мм	Внутренний диаметр, мм	Высота, мм
Тело А	Кольцо	Сталь	11,324	520	480	20
Тело В	Цилиндр	Сталь	9,785	390	-	10
Тело С	Цилиндр	Алюминий	3,846	390	-	10
Тело О	Цилиндр	Алюминий	9,684	240	-	80
Тело Е	Цилиндр	Сталь	0,107	60	-	5
Тело Р	Цилиндр	Сталь	0,172	60	-	8
Тело С	Цилиндр	Сталь	0,431	60	-	20
Тело Н	Кольцо	Сталь	0,694	60	30	40
Тело Л	Кольцо	Сталь	0,858	60	30	50

Используемая сталь имеет плотность 7850 кг/м³, используемый алюминий имеет плотность 2700 кг/м³.

Эксперимент 1. В этом эксперименте мы испытывали четыре тела А-Ό, указанные в табл. 1, измеряя критические угловые скорости ш_с этих тел для двух различных углов наклона. Эксперимент выполнялся в испытательном устройстве, показанном на фиг. 6. Центр масс СМ этих тел находился на расстоянии 1, составлявшем приблизительно 0,072 м от точки ΙΡ пересечения.

В первой серии угол θ наклона был задан равным 45°. Измеренные значения приведены в табл. 2а. Таблица 2а

Критические угловые скорости ш_с при θ=45°, измеренные в эксперименте 1 с использованием испытательного устройства по фиг. 6

	Величина крутящего момента, приложенного относительно оси наклона, Нм	Критическая угловая скорость ос, об/мин
Тело А	9,14	99
Тело В	5,58	381
Тело С	2,20	192
Тело Ό	6,48	410

Единица измерения об/мин означает обороты в минуту, т.е. 60 об/мин соответствует 1 Гц.

Во второй серии угол θ наклона был задан равным 25°. Измеренные значения приведены в табл. 2Ь.

- 21 018251

Таблица 2Ь

Критические угловые скорости ш_с при θ=25°, измеренные в эксперименте 1 с использованием испытательного устройства по фиг. 6

	Величина крутящего момента, приложенного относительно оси наклона. Нм	Критическая угловая скорость 0>с, οϋ/мин
Тело А	5,46	85
Тело В	3,33	280
Тело С	1,31	160
Тело Ό	3,81	355

Эксперимент 2.

Целью этого эксперимента является демонстрация того, что при угловой скорости ω_8ριη тела меньше критической угловой скорости ш_с тело 2 падает, т.е. вращается относительно оси 16 наклона в том же направлении, что и направление приложенного крутящего момента, созданного силой тяжести, действующей на тело 2 массой т.

Эксперимент может быть обобщенно представлен следующими этапами.

1. Тело 2 приводится во вращение вокруг оси 4 собственного вращения с использованием внешнего источника двигательной энергии до достижения первоначальной угловой скорости ω_8ριη, которая ниже критической угловой скорости ш_с этого тела для первоначального угла θ_Ιιη наклона.

2. Тело 2 располагается под первоначальным углом наклона θ_Ιιη.

3. Тело 2 освобождается при первоначальном угле наклона θ_Ιιη.

4. Измеряется длительность вращения тела 2 вокруг оси 16 наклона, начиная при первоначальном угле наклона θ_Ιιη и заканчивая при окончательном угле наклона θ_ιαχ.

5. Во время этого вращения измеряется максимальная выходная угловая скорость ω_ουί выходного вала 110.

Эти пять этапов были выполнены для трех тел А, В и С, указанных в табл. 1. Эксперимент с пятью описанными выше этапами был проведен следующим образом.

Тело 2 располагают на поворотной штанге 30 на расстоянии 1=0,072 м от оси 16 наклона. Средства 210 ограничения регулируют таким образом, чтобы они ограничивали угол θ наклона диапазоном между минимальным углом наклона θ_ιηιη=30^ο и максимальным углом наклона θ_ιη3Χ=80°.

Поворотную штангу 30 сначала располагают под углом наклона θ_ιηιη=30° и затем освобождают. Если тело 2 не вращается, оно падает под влиянием силы тяжести, и поворотная штанга 30 поворачивается вокруг оси 16 наклона с увеличением угла 9 наклона. Длительность падения от первоначального угла наклона θ_ιηιη=30° до окончательного угла наклона θ_ΙΙΙΗ,=80° меньше 0,5 с.

Если тело привели во вращение вокруг собственной оси до достижения первоначальной угловой скорости ω_8ριη меньше критической угловой скорости ш_с этого тела и освободили при первоначальном угле наклона θ_ιιιιη=30°. поворотная штанга 30 прецессирует вокруг вертикальной выходной оси 11 с медленным увеличением угла θ наклона. Прецессия тела 2 приводит к вращению выходного вала 110 с выходной угловой скоростью ω_ουί. Спиральное движение поворотной штанги 30 с постоянным увеличением угла 9 наклона продолжается до тех пор, пока поворотная штанга 30 не коснется верхнего металлического болта 215 при окончательном угле наклона θ_ιαχ=80°.

В табл. 3 приведены результаты этого эксперимента для тел А-С табл. 1.

Таблица 3

Падение и прецессия поворотной штанги соответственно

	Первоначальная угловая скорость ω3ριη, об/мин	Первоначальный угол наклона ΘΒΜ, град	Окончатель- ный угол наклона θ,η,χ, град	Длительность прецессии (падения), с	Максималь на я выходная угловая скорость об/мин
Тела А, В/ с	0	30	80	<0,5 (падение)	0
Тело А	75	30	80	30	37
Тело В	14 0	30	80	81	38
Тело С	140	30	80	18	47

Эксперимент 3.

Эксперимент 3 отличается от эксперимента 2 тем, что первоначальная угловая скорость ω_8ριη тела 2 больше критической угловой скорости ω₀ этого тела.

- 22 018251

Целью этого эксперимента является демонстрация того, что при угловой скорости ω_8ριη тела 2 больше критической угловой скорости ш_с это тело поднимается, т.е. вращается относительно оси 16 наклона в направлении, противоположном направлению приложенного крутящего момента, созданного силой тяжести, действующей на тело 2 массой т. Этот подъем тела 2 может быть назван реактивным движением. Этот эксперимент также демонстрирует эффект прекращения реактивного движения, а именно значительное увеличение выходной угловой скорости выходного вала 110.

Эксперимент может быть обобщенно представлен следующими этапами.

1. Тело 2 приводится во вращение вокруг оси 4 собственного вращения с использованием внешнего источника двигательной энергии до достижения первоначальной угловой скорости ω_8ριη, которая больше критической угловой скорости ш_с тела 2 для первоначального угла наклона 0_тах.

2. Тело 2 располагается под первоначальным углом наклона 0_тах.

3. Тело 2 освобождается при первоначальном угле наклона 0_тах.

4. Измеряется длительность вращения тела 2 вокруг оси 16 наклона, начиная при первоначальном угле наклона 0_тах и заканчивая при окончательном угле наклона 0_тт.

5. Во время этого реактивного движения измеряется максимальная выходная угловая скорость ω_ουί выходного вала 110.

6. Реактивное движение прекращается при ограничивающем угле 0_тт. Угловая скорость ω_8ριη тела 2 измеряется, когда тело 2 только коснулось средства ограничения при ограничивающем угле 0_тт.

7. Максимальная выходная угловая скорость ω_ουί выходного вала 110 измеряется, когда реактивное движение прекратилось.

8. Когда угловая скорость ω_8ριη тела 2 упала ниже критической угловой скорости ш_с (например, из-за потерь на трение), тело 2 начинает падать.

Эти восемь этапов были выполнены для четырех тел А, В, С и Ό, указанных в табл. 1. Эксперимент с восемью описанными выше этапами проводился следующим образом.

Тело 2 располагают на поворотной штанге 30 на расстоянии 1=0,072 м от оси 16 наклона. Испытательное устройство дополнительно содержит средство 210 ограничения, предназначенное для ограничения угла 0 наклона диапазоном между минимальным углом наклона 0_тт=25° и максимальным углом наклона 0_тах=30°.

Поворотную штангу 30 располагают под первоначальным углом наклона 0_тах=30°. Тело 2 приводится во вращение вокруг собственной оси до первоначальной угловой скорости ω_8ριη больше критической угловой скорости ш_с этого тела, и поворотную штангу 30 освобождают при первоначальном угле наклона ш_тах=30°. Поворотная штанга 30 вращается вокруг вертикальной выходной оси 11 с медленно уменьшающимся углом 0 наклона. Спиральный подъем поворотной штанги 30 приводит к вращению выходного вала 110 с выходной угловой скоростью ω_ουί. Спиральное движение поворотной штанги 30 с постоянным уменьшением угла 0 наклона продолжается до тех пор, пока поворотная штанга 30 не коснется верхнего металлического болта 215, и реактивное движение прекращается при окончательном угле наклона 0_тш=25° (т.е. ограничивающем угле).

В табл. 4 приведены результаты этого эксперимента для четырех тел А-Ό из табл. 1.

Таблица 4

Подъем поворотной штанги (т.е. реактивное движение), первоначальный угол наклона 0_тах=30°, окончательный угол наклона 0_тш=25°

1	2	3	4	5	6
	Пере она чаль* чая угловая скорость ω$ρη. об/мин	Длительность подъема, с	Максимальная выходная угловая скорость шал во время подъема, об/мин	Угловая скорость шзрп непосредственно лерех прекращением реактивного движения, об/мин	№ксимальная выходная угловая скорость иол после достижения &тл Об/мИН
Тело А	300	111	9	230	107
Тело А	400	93	6	315	187
Тело В	600	29	. 7	540	110
Тело С	600	13	8	480	220
Тело ϋ	600	22	26	492	70

В столбце 2 приведена первоначальная угловая скорость ω_8ριη тела 2, которая выше критической угловой скорости ш_с для этого угла наклона 0_тах=30°. В столбце 3 приведено время между освобождением тела 2 при первоначальном угле наклона 0_тах=30° и окончанием подъема (т.е. реактивного движения) при окончательном угле наклона 0_тт=25^о. В столбце 4 приведена максимальная выходная угловая скорость ш_ои1 выходного вала 110, которая наблюдается во время подъема поворотной штанги 30. В столбце 5 приведена угловая скорость ω_8ριη тела 2 в момент, когда поворотная штанга 30 только коснулась нижнего металлического болта 214 при окончательном угле наклона 0_тт=25°. В столбце 6 приведена максимальная выходная угловая скорость ω_οιιι выходного вала 110, которая наблюдается после того, как подъем

- 23 018251 поворотной штанги 30 был прекращен нижним металлическим болтом 214 при окончательном угле наклона 0_тт=25°.

Как можно видеть из столбцов 2-4 табл. 4, увеличение первоначальной угловой скорости ω_8ριη увеличивает скорость реактивного движения, однако максимальная выходная угловая скорость ω_ουί, наблюдаемая во время реактивного движения, снижается. Когда реактивное движение прекращается при окончательном угле наклона, выходная угловая скорость ω_ουί увеличивается чрезмерным образом и степень увеличения тем больше, чем выше первоначальная угловая скорость ω_8ριη тела.

Эксперимент 4.

Чтобы сделать возможным сравнение разных тел с точки зрения их применимости в передаточном устройстве, соответствующем настоящему изобретению, определяется характерная критическая угловая скорость ш_с,_8рес. Характерная критическая скорость ш_с,_8рес (также называемая характерной критической угловой скоростью) тела для угла θ наклона и длины 1_с соединительного звена определяется как критическая скорость ш_с тела, измеренная с использованием испытательного устройства, показанного на фиг. 6, когда угол наклона равен 9, и расстояние от плоскости соединения до центра шарнира равно 1с.

Целью этого эксперимента является демонстрация измерения характерной критической скорости ®_с,8_рес разных тел для длины 1_с соединительного звена, зафиксированной на уровне 25 мм, и угле θ наклона, составляющем 45°. Эксперимент проводился с использованием испытательного устройства, показанного на фиг. 6.

В этом эксперименте использовались тела Е-1 из табл. 1 с меньшим диаметром, так как трудно привести во вращение тела больших размеров с более высокими скоростями вращения.

В табл. 5 приведена характерная критическая угловая скорость ш_с>8рес, измеренная для пяти тел, указанных в табл. 1.

Таблица 5

Характерная критическая угловая скорость ш_с,_8рес для длины соединительного звена 1_с=25 мм и угла наклона θ=45°

	Характерная критическая угловая скорость «с.гресс об/мин
Тело Е	2400
Тело Г	2600
Тело С	3200
Тело Н	2500
Тело 0	3000

Характерная критическая скорость ш_с,_8рес тела 2 указывает всего лишь то, насколько применимы форма тела 2 и распределение массы тела 2 с точки зрения эффективности. Для двух разных тел можно сказать, что более эффективным с точки зрения формы тела и распределения массы тела является тело с более низкой характерной критической скоростью ш_с,_8рес. Однако характерная критическая скорость ш_с,_8рес не показывает, подходит ли тело по прочности его материала для требуемой выходной энергии передаточного устройства. Тело также должно быть протестировано на прочность и жесткость в условиях величины приложенного крутящего момента, необходимой для требуемой выходной энергии передаточного устройства. Если прочность материала тела недостаточна, эффективность передаточного устройства может снизиться во время работы этого устройства под нагрузкой.

Так как характерная критическая скорость ш_с,_8рес тела 2 является свойством этого тела, которое определяется в зависимости от угла наклона и длины 1с соединительного звена, то эта характерная критическая скорость ш_с,_8рес тела 2 может меняться для различных пар (θ, 1_с) двух параметров угла θ наклона и длины 1с соединительного звена. Поэтому, чтобы сравнивать разные тела, нужно сравнивать характерные критические скорости ш_с,_8рес этих тел для идентичных пар параметров (θ, 1_с). Таким образом, важно использовать одну и ту же пару параметров (θ, 1_с) при сравнении разных тел. Для одной и той же пары параметров (θ, 1_с) можно сказать, что с точки зрения формы тела и распределения массы тела тело с более низкой характерной критической скоростью будет более эффективным.

Предположим, есть два разных тела, имеющих разные значения характерной критической скорости ш_с,_8рес для одной и той же пары параметров (θ, 1_с). Тогда для некоторой тройки параметров (т.е. набора из трех), состоящей из угла θ наклона, величины приложенного крутящего момента и скорости ш_8рт собственного вращения, пары значений, содержащие значение выходной скорости ω_ουί и значение выходного крутящего момента, для этих двух тел различаются. Это означает: даже если угол θ наклона, величина приложенного момента и скорость ш_8рт собственного вращения сохраняются одинаковыми для этих двух тел, передаточное устройство будет обеспечивать разные значения выходной скорости ω_ουί и значения выходного крутящего момента для каждого из двух тел.

Если размер или масса испытываемого тела не подходят для испытательного устройства, характер- 24 018251 ная критическая скорость тела может быть получена путем математических вычислений из характерных критических скоростей других тел, которые масштабируются в соответствии с коэффициентом масштабирования, в результате чего эти другие тела могли бы испытываться с использованием испытательного устройства.

Одной из переменных для определения выходной энергии является величина приложенного крутящего момента. Чтобы получить более высокую выходную энергию, необходимо использовать более высокий крутящий момент при сохранении других условий функционирования. Кроме того, для выбранного угла наклона, если величина приложенного крутящего момента увеличивается, критическая скорость ш_с также увеличивается. Поэтому, если для одного и того же тела используется значение крутящего момента выше значения крутящего момента, примененного при определении характерной критической скорости ш_с>8рес, то новое значение критической скорости, соответствующее новому значению крутящего момента, будет выше характерной критической скорости ш_с,_8рес при данном угле наклона.

Так как является обязательным, чтобы скорость ш_8рт собственного вращения тела была выше критической скорости ш_с во время работы передаточного устройства, то тело с более высокой характерной критической скоростью ш_с,_8рес должно приводиться во вращение с более высокими скоростями по сравнению с телом с более низкой характерной критической скоростью ш_с,_8рес.

В действительности, использование тела с более низким значением скорости ш_8рт собственного вращения является более выгодным, потому что, как известно, потери на трение (например, сопротивление воздуха, трение в подшипниках) увеличиваются экспоненциально с увеличением этой скорости (см. табл. 6). Далее, более высокие скорости собственного вращения в передаточном устройстве, предпочтительно двигательном устройстве, требуют повысить прочность двигателя в целом, и это приведет к повышению затрат при производстве передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства.

Испытательное устройство для измерения характерной критической скорости ш_с,_8рес должно обладать некоторыми специальными особенностями, чтобы повысить точность измерений. На значения характерной критической скорости ш_с,_8рес влияет степень передачи крутящего момента от оси 4 собственного вращения на вторую ось 11, зависящая от сил трения, противодействующих вращению вокруг оси 4 собственного вращения.

Чтобы снизить этот эффект, необходимо, чтобы силы трения, противодействующие вращению вокруг оси 4 собственного вращения, были как можно ближе к теоретически оптимальному значению, которое равно 0. Силы трения, противодействующие вращению вокруг второй оси 11, снижают скорость вращения вокруг второй оси 11 и, следовательно, увеличивают характерную критическую скорость ш_с,_8рес. Чтобы снизить этот эффект, необходимо, чтобы силы трения, противодействующие вращению вокруг второй оси 11, были как можно ближе к теоретически оптимальному значению, которое равно 0.

В табл. 6 приведен ток, потребляемый электродвигателем (т.е. двигателем, обеспечивающим собственное вращение), используемым для приведения тела Р во вращение вокруг собственной оси.

Таблица 6

Ток, потребляемый электродвигателем во время приведения тела Р во вращение вокруг собственной оси с разными скоростями

Скорость собственного вращения, об/мин	Ток, потребляемый двигателем, обеспечивающим собственное вращение, мА
3000	800
4000	870
5000	1100
6000	1800
7000	3000

Приведенные на чертежах варианты реализации настоящего изобретения обладают функциями, которые указаны при описании чертежей. Однако эти варианты обладают дополнительными функциями, которые не указаны при упомянутом описании, и указаны только в пунктах формулы изобретения. Кроме того, объект изобретения, указанный в пунктах формулы изобретения, может быть воплощен на практике в тех вариантах, которые приведены на чертежах, или их модификациях.

Ссылочные обозначения.

- передаточное устройство,

- тело,

- вал вращения,

- первая ось (т.е. ось собственного вращения),

- внутренний держатель,

- внутренние подшипники,

- внешний держатель,

- 25 018251

- внешние подшипники,

- рама,

- подшипники рамы,

- вторая ось,

- электродвигатель,

- плоскость,

- гидравлический цилиндр,

- третья ось (т.е. ось наклона),

- блок управления,

- ремень,

- генератор переменного тока,

- электропроводка,

- приложенный крутящий момент, направление,

- реактивный крутящий момент, направление,

- угловая зубчатая передача,

- поворотная штанга,

- шарнир,

- подшипник,

- средство сочленения,

- общий выходной вал,

- подшипник,

- опора,

- пластина,

- отверстие,

52, 53 - стопор,

- болт,

- рама массива,

100, 103 - вектор силы,

110 - выходной вал,

200 - плоскость,

201 - поле сил,

210 - средство ограничения,

211, 212 - пластины,

213 - отверстие,

214, 215 - болт,

221 - пластины,

250 - центральная плоскость,

СМ - центр масс,

Е_о - сила тяжести,

- расстояние, длина,

1_С - длина соединительного звена,

ΙΡ - точка пересечения,

Р_с - плоскость соединения,

У1 - вектор собственного вращения,

У2 - вектор выходного движения,

У3 - вектор приложенного крутящего момента относительно третьей оси, α - угловой диапазон, θ - угол наклона,

0_тш - минимальный угол наклона, θ_Ο3Χ - максимальный угол наклона, ω - угловая скорость, ш_с - критическая угловая скорость, ю_С,._1рес - характерная критическая угловая скорость, ω_Ουί - угловая скорость движения вокруг выходной оси, ω_8ριη - угловая скорость тела 2 при движении вокруг оси 4 собственного вращения.

Claims (67)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Передаточное устройство, обеспечивающее вращение тела вокруг выходной оси и содержащее тело (2), выполненное с возможностью присоединения к источнику двигательной энергии для приведения его во вращение вокруг первой оси (4), вращения вокруг второй оси (11) и вращения вокруг третьей оси (16), причем первая ось (4) расположена под углом (θ) наклона относительно второй оси

   - 26 018251 (11), а вторая ось (11) является выходной осью устройства, при этом вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) вызывает изменение угла (θ) наклона;

   средство (15) приложения крутящего момента (21) к телу (2) относительно третьей оси (16) в направлении увеличения угла (θ) наклона, когда первая ось (4) расположена под выбранным углом (θ) наклона относительно второй оси (11), который составляет больше 0 и меньше 90°; и средство (210) для такого ограничения вращения тела (2) вокруг третьей оси (16) в направлении уменьшения угла (θ) наклона, чтобы угол (θ) наклона первой оси (4) относительно второй оси (11) оставался больше 0 и меньше 90°, при этом тело (2) выполнено с возможностью вращения вокруг первой оси (4) с угловой скоростью (ω_8ριη), превышающей критическую угловую скорость (ш_с), чтобы обеспечить постоянный или уменьшающийся угол (θ) наклона, в результате вызывая или увеличивая выходную угловую скорость (ω_ουί) и/или выходной крутящий момент при вращении тела (2) вокруг второй оси (11), и тело (2) выполнено с возможностью вращения с характерной критической угловой скоростью (ω_ο,_8ρεο) менее 20000 об/мин для увеличения выходной энергии на выходной оси, при этом характерная критическая угловая скорость (ω₀,_8ρ60) равна критической угловой скорости (<а_с) тела (2), когда угол (θ) наклона первой оси (4) относительно второй оси (11) равен 45°, первая ось (4) проходит, по существу, через центр масс (СМ) тела (2), тело (2) расположено таким образом, что его момент инерции вокруг первой оси (4) является, по существу, максимальным, если тело (2) не симметрично относительно плоскости, проходящей через его центр масс (СМ) и ортогональной первой оси (4), причем из возможных положений при установке тела (2) на первой оси (4) выбирается то, которое обеспечивает меньшее расстояние между центром масс (СМ) тела (2) и третьей осью (16), и длина (1_с) соединительного звена, которая представляет собой расстояние от точки пересечения плоскости (Р_с) соединения и первой оси (4) до третьей оси (16), где плоскость (Р_с) соединения является плоскостью, которая ортогональна первой оси (4), проходит через тело (2) и расположена на минимальном расстоянии до оси (16) наклона, составляет

   5 мм, если масса тела (2) менее 0,1 кг,

   25 мм, если масса тела (2) равна или превышает 0,1 кг, но менее 100 кг,

   50 мм, если масса тела (2) равна или превышает 100 кг, но менее 1000 кг,

   100 мм, если масса тела (2) равна или превышает 1000 кг.
2. 2. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит источник двигательной энергии, соединенный с телом (2) для приведения тела (2) во вращение вокруг первой оси (4) с упомянутой угловой скоростью (ω_8ριη), превышающей критическую угловую скорость (о_с).
3. 3. Устройство по п.2, которое дополнительно содержит средство (17-20) обратной связи, предназначенное для передачи двигательной энергии от вращения тела (2) вокруг упомянутой выходной оси в источник двигательной энергии.
4. 4. Устройство по п.3, в котором средство (17-20) обратной связи выполнено с возможностью передачи в источник двигательной энергии двигательной энергии, достаточной для компенсации потерь энергии, возникающих из-за трения при вращении тела (2) вокруг первой оси (4), когда постоянными являются угол (θ) наклона, величина крутящего момента, приложенного относительно третьей оси (16), и выходная угловая скорость (ω_ουί) движения вокруг упомянутой выходной оси.
5. 5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит средство управления источником двигательной энергии, обеспечивающее вращение тела (2) вокруг первой оси (4) с упомянутой угловой скоростью (ω_8ριη), превышающей критическую угловую скорость (о_с).
6. 6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (15) приложения крутящего момента выполнено с возможностью приложения к телу (2) крутящего момента (21) относительно третьей оси (16), когда выбранный угол (θ) наклона больше 10 и меньше 80°.
7. 7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит средство управления величиной крутящего момента (21), прикладываемого средством (15) приложения крутящего момента.
8. 8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (210) для ограничения выполнено с возможностью такого ограничения вращения тела (2) вокруг третьей оси (16), чтобы угол (θ) наклона первой оси (4) относительно второй оси (11) был больше 10 и меньше 80°.
9. 9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит средство регулирования угла (θ) наклона.
10. 10. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит средство, служащее для выбора требуемой выходной угловой скорости (ω_ουί) движения вокруг упомянутой выходной оси и вызывающее регулирование упомянутым средством регулирования угла (θ) наклона в зависимости от выбранной выходной угловой скорости (ω_ου).

    - 27 018251
11. 11. Устройство по п.9 или 10, которое дополнительно содержит средство, служащее для выбора требуемого выходного крутящего момента устройства и регулирования угла (θ) наклона в зависимости от выбранного выходного крутящего момента.
12. 12. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (15) приложения крутящего момента (21) относительно третьей оси (16) содержит пружину.
13. 13. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (15) приложения крутящего момента (21) относительно третьей оси (16) содержит одно или более из следующего: гидравлический цилиндр, пневматический цилиндр, электромагнитный цилиндр.
14. 14. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (210) для ограничения выполнено с возможностью предотвращения вращения тела (2) вокруг третьей оси (16) в направлении уменьшения угла (θ) наклона.
15. 15. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (15) приложения крутящего момента (21) относительно третьей оси (16) дополнительно служит средством (210) для ограничения.
16. 16. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (210) для ограничения содержит упор.
17. 17. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором первая ось (4) проходит, по существу, через центр масс (СМ) тела (2).
18. 18. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором вторая ось (11) проходит, по существу, через центр масс (СМ) тела (2).
19. 19. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором первая ось (4) и вторая ось (11) пересекаются.
20. 20. Устройство по любому из пп.1-18, в котором первая ось (4) и вторая ось (11) не пересекаются и угол (θ) наклона определен как острый угол между первой осью (4) и второй осью (11), если смотреть в направлении самого короткого отрезка, соединяющего первую ось (4) и вторую ось (11).
21. 21. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором тело (2) является, по существу, цилиндрически симметричным относительно первой оси (4).
22. 22. Устройство по любому из пп.1-21, в котором тело (2) содержит ступицу, диск и кольцевой обод.
23. 23. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором тело (2) выполнено из материала, имеющего модуль упругости выше 70 ГПа, предпочтительно выше 100 ГПа.
24. 24. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит средство его установки.
25. 25. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит один или более противовесов, установленных для вращения вокруг второй оси.
26. 26. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором угол между вектором крутящего момента (21), приложенного к телу (2) относительно третьей оси (16), и вектором выходной угловой скорости (ш_ои1) движения вокруг второй оси (11) составляет от 85 до 93°, предпочтительно около 90°.
27. 27. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором тело (2) установлено на валу (3, 30), изготовленном из материала с модулем упругости выше 70 ГПа, предпочтительно выше 100 ГПа.
28. 28. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором выходной вал (110), проходящий по упомянутой выходной оси, изготовлен из материала с модулем упругости выше 70 ГПа, предпочтительно выше 100 ГПа.
29. 29. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором части устройства, подверженные воздействию переменных сил, изготовлены из одного или более материалов с модулем упругости выше 70 ГПа, предпочтительно выше 100 ГПа.
30. 30. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит один или более датчиков для определения значений одного или более из следующих параметров: вращения вокруг первой оси (4), и/или вокруг второй оси (11), и/или вокруг третьей оси (16), угловой скорости вращения вокруг первой оси (4), и/или вокруг второй оси (11), и/или вокруг третьей оси (16), положения тела (2) и/или первой оси (4), и/или второй оси (11), и/или третьей оси (16), крутящего момента при вращении вокруг первой оси (4), и/или вокруг второй оси (11), и/или вокруг третьей оси (16), а также силы.
31. 31. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит средство механического ограничения вращения тела (2) вокруг оси (16) наклона в обоих направлениях между значением нижнего предельного угла и значением верхнего предельного угла и средство регулирования этих значений предельных углов во время работы упомянутого устройства до выбранного значения нижнего предельного угла больше 0 и меньше 90° и значения верхнего предельного угла больше выбранного значения нижнего предельного угла и меньше 90°.
32. 32. Устройство по п.31, в котором средство механического ограничения вращения тела (2) выполнено в виде одного или более упоров.
33. 33. Устройство по любому из пп.1-32, которое выполнено с возможностью сборки в узел из двух или более передаточных устройств, причем узел содержит средства приведения каждого из этих уст

    - 28 018251 ройств во вращение, по существу, с одинаковой скоростью, но с различными углами соответствующих фаз, и средство объединения выходной угловой скорости (ω_ου) и/или выходного крутящего момента упомянутых устройств.
34. 34. Устройство по любому из пп.1-33, которое выполнено с возможностью установки на транспортном средстве для его приведения.
35. 35. Устройство по п.34, которое выполнено с возможностью установки на транспортном средстве, являющемся дорожным транспортным средством.
36. 36. Устройство по п.34, которое выполнено с возможностью установки на транспортном средстве, являющемся воздушным судном.
37. 37. Устройство по п.34, которое выполнено с возможностью установки на транспортном средстве, являющемся плавучим транспортным средством.
38. 38. Устройство по любому из пп.1-33, которое выполнено с возможностью установки в генераторе электричества.
39. 39. Способ обеспечения вращения тела вокруг выходной оси, согласно которому устанавливают тело (2) для вращения вокруг первой оси (4), вращения вокруг второй оси (11) и вращения вокруг третьей оси (16), причем первая ось (4) расположена под углом (θ) наклона относительно второй оси (11), вторая ось (11) и/или третья ось (16) являются упомянутой по меньшей мере одной выходной осью, при этом вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) вызывает изменение угла (θ) наклона;

    приводят тело (2) во вращение вокруг первой оси (4) с угловой скоростью (ω_8ριη), превышающей критическую угловую скорость (ω₀);

    прикладывают к телу (2) крутящий момент (21) относительно третьей оси (16) в направлении увеличения угла (θ) наклона, когда первая ось (4) расположена под выбранным углом (θ) наклона относительно второй оси (11), который составляет больше 0 и меньше 90°; и ограничивают вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) в направлении уменьшения угла (θ) наклона таким образом, чтобы угол (θ) наклона первой оси (4) относительно второй оси (11) оставался больше 0 и меньше 90°, что обеспечивает постоянный или уменьшающийся угол (θ) наклона, чтобы в результате возникали или увеличивались выходная угловая скорость (ω_ουί) и/или выходной крутящий момент при вращении тела (2) вокруг второй оси (11) и/или третьей оси (16) в качестве упомянутой по меньшей мере одной выходной оси, отличающийся тем, что при его выполнении используют тело (2), имеющее характерную критическую угловую скорость (т_с,,_рес) менее 20000 об/мин, предпочтительно с целью увеличения выходной энергии на упомянутой выходной оси, при этом характерная критическая угловая скорость (ω₀, _8рес) равна критической угловой скорости (ω₀) тела (2) при угле (θ) наклона первой оси (4) относительно второй оси (11), равном 45°, при прохождении первой оси (4), по существу, через центр масс (СМ) тела (2), при таком расположении тела (2), чтобы его момент инерции был, по существу, максимальным, при несимметричности тела (2) относительно плоскости, проходящей через его центр масс (СМ) и ортогональной первой оси (4), из возможных положений при установке тела (2) на первой оси (4) выбрано то, которое обеспечивает меньшее расстояние между центром масс (СМ) тела (2) и третьей осью (16), и при длине (1_с) соединительного звена, которая представляет собой расстояние от точки пересечения плоскости (Р_с) соединения и первой оси (4) до третьей оси (16), а плоскость (Р_с) соединения является плоскостью, которая ортогональна первой оси (4), проходит через тело (2) и расположена на минимальном расстоянии до оси (16) наклона, составляющей

    5 мм, если масса тела (2) менее 0,1 кг,

    25 мм, если масса тела (2) равна или превышает 0,1 кг, но менее 100 кг,

    50 мм, если масса тела (2) равна или превышает 100 кг, но менее 1000 кг,

    100 мм, если масса тела (2) равна или превышает 1000 кг.
40. 40. Способ по п.39, отличающийся тем, что дополнительно создают дополнительный внешний крутящий момент, действующий на тело (2) относительно второй оси, для обеспечения первоначального ускорения.
41. 41. Способ по п.39 или 40, отличающийся тем, что дополнительно управляют источником двигательной энергии для приведения тела (2) во вращение вокруг первой оси (4) с упомянутой угловой скоростью (ω_8ριη), превышающей критическую угловую скорость (ω₀).
42. 42. Способ по любому из пп.39-41, отличающийся тем, что дополнительно выбирают упомянутый выбранный угол (θ) наклона больше 10 и меньше 80°.
43. 43. Способ по любому из пп.39-42, отличающийся тем, что дополнительно управляют величиной крутящего момента (21), приложенного к телу (2) относительно третьей оси (16).
44. 44. Способ по любому из пп.39-43, отличающийся тем, что дополнительно ограничивают вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) таким образом, чтобы угол (θ) наклона первой оси (4) относительно вто

    - 29 018251 рой оси (11) был больше 10 и меньше 80°.
45. 45. Способ по любому из пп.39-44, отличающийся тем, что дополнительно регулируют угол (θ) наклона.
46. 46. Способ по п.45, отличающийся тем, что дополнительно создают требуемую выходную угловую скорость (ω_ουί) движения вокруг выходной оси путем регулирования угла (θ) наклона.
47. 47. Способ по п.45, отличающийся тем, что дополнительно создают требуемый выходной крутящий момент относительно выходной оси путем регулирования угла (θ) наклона.
48. 48. Способ по любому из пп.39-47, отличающийся тем, что дополнительно регулируют угловую скорость (ω_8ριη) движения тела (2) вокруг первой оси (4).
49. 49. Способ по п.48, отличающийся тем, что дополнительно создают требуемую выходную угловую скорость (ω_ουί) движения вокруг выходной оси путем регулирования угловой скорости (ω_8ριη) движения тела (2) вокруг первой оси (4).
50. 50. Способ по п.48, отличающийся тем, что дополнительно создают требуемый выходной крутящий момент относительно выходной оси путем регулирования угловой скорости (ω_8ριη) движения тела (2) вокруг первой оси (4).
51. 51. Способ по любому из пп.39-50, отличающийся тем, что дополнительно регулируют крутящий момент (21), приложенный к телу (2) относительно третьей оси (16).
52. 52. Способ по п.51, отличающийся тем, что дополнительно создают требуемую выходную угловую скорость (ω_ουί) движения вокруг выходной оси путем регулирования крутящего момента (21), приложенного к телу (2) относительно третьей оси (16).
53. 53. Способ по п.51, отличающийся тем, что дополнительно создают требуемый выходной крутящий момент относительно выходной оси путем регулирования крутящего момента, приложенного к телу (2) относительно третьей оси (16).
54. 54. Способ по любому из пп.39-53, отличающийся тем, что при ограничении вращения тела (2) вокруг третьей оси (16) дополнительно предотвращают вращение тела (2) вокруг третьей оси (16) в направлении уменьшения угла (θ) наклона.
55. 55. Способ по любому из пп.39-54, отличающийся тем, что дополнительно используют некоторое количество энергии вращательного движения, созданной на упомянутой выходной оси, для обеспечения вращения тела (2) вокруг первой оси (4), когда постоянными являются угол (θ) наклона, величина крутящего момента (21), приложенного относительно третьей оси (16), и выходная угловая скорость (ω_ουί) движения вокруг упомянутой выходной оси.
56. 56. Способ по п.55, отличающийся тем, что используемого таким образом количества энергии вращательного движения достаточно для компенсации потерь энергии, возникающих из-за трения при вращении тела (2) вокруг первой оси (4).
57. 57. Способ по любому из пп.39-56, отличающийся тем, что дополнительно прикладывают крутящий момент (21) к телу (2) относительно третьей оси (16) путем приложения крутящего момента исключительно за счет веса тела (2) либо приложения крутящего момента при помощи внешних средств и дополнительно за счет веса тела (2).
58. 58. Способ по любому из пп.39-57, отличающийся тем, что дополнительно определяют значения одного или более из следующих параметров:

    вращения вокруг первой оси (4), и/или вращения вокруг второй оси (11), и/или вращения вокруг третьей оси (16), угловой скорости вращения вокруг первой оси (4), и/или вращения вокруг второй оси (11), и/или вращения вокруг третьей оси (16), положения тела (2), и/или первой оси (4), и/или второй оси (11), и/или третьей оси (16), крутящего момента при вращении вокруг первой оси (4), и/или вокруг второй оси (11), и/или вокруг третьей оси (16) и силы.
59. 59. Способ по любому из пп.39-58, отличающийся тем, что дополнительно механическим путем ограничивают вращение тела (2) вокруг оси (16) наклона в обоих направлениях между значением нижнего предельного угла и значением верхнего предельного угла и при одновременном обеспечении вращения во время работы передаточного устройства, предпочтительно двигательного устройства, регулируют эти значения предельных углов до выбранного значения нижнего предельного угла больше 0 и меньше 90° и значения верхнего предельного угла больше выбранного значения нижнего предельного угла и меньше 90°.
60. 60. Способ по любому из пп.39-59, отличающийся тем, что дополнительно увеличивают выходную энергию, созданную на упомянутой выходной оси, путем уменьшения расстояния между центром масс (СМ) тела (2) и второй осью (11).
61. 61. Способ по любому из пп.39-60, отличающийся тем, что дополнительно увеличивают выходную энергию, созданную на упомянутой выходной оси, путем уменьшения вариации угла между нормальным вектором первой плоскости рамы и нормальным вектором второй плоскости рамы, где плоскость рамы представляет собой плоскость, проходящую через не лежащие на одной прямой три точки рамы, внутри

    - 30 018251 которой установлено передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство.
62. 62. Способ по п.61, отличающийся тем, что дополнительно поддерживают упомянутую вариацию на уровне менее 5°.
63. 63. Способ по любому из пп.39-62, отличающийся тем, что дополнительно увеличивают выходную энергию, созданную на упомянутой выходной оси, путем уменьшения вариации угла между вектором выходной угловой скорости (ω_ου1) движения вокруг упомянутой выходной оси и нормальным вектором плоскости рамы, где плоскость рамы представляет собой плоскость, проходящую через не лежащие на одной прямой три точки рамы, внутри которой установлено передаточное устройство, предпочтительно двигательное устройство.
64. 64. Способ по п.63, отличающийся тем, что дополнительно поддерживают упомянутую вариацию на уровне менее 5°.
65. 65. Способ по любому из пп.39-64, отличающийся тем, что дополнительно увеличивают выходную энергию, созданную на упомянутой выходной оси, путем уменьшения вариации угла между вектором угловой скорости при вращательном движении тела (2) вокруг первой оси (4) и нормальным вектором плоскости тела, где плоскость тела представляет собой плоскость, проходящую через не лежащие на одной прямой три точки тела (2).
66. 66. Способ по п.65, отличающийся тем, что дополнительно поддерживают упомянутую вариацию на уровне менее 5°.
67. 67. Способ по п.39, отличающийся тем, что дополнительно производят отбор энергии, возникающей на третьей оси (16), за счет ограничения вращения тела (2) вокруг третьей оси (16) по уменьшению угла (θ) наклона при уменьшении угла (θ) наклона.