RU2295705C2 - Гироскопический привод - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к авиации, морским средствам и наземным транспортным средствам с двигателем, а именно к устройствам, обеспечивающим возможность ориентации платформы. Основой гироскопического привода является механизм с использованием сохранения момента количества движения, при этом он передает вращающий момент (количество движения) платформе, на которой он установлен. Техническим результатом является возможность ориентировать платформу при крене, угловых колебаниях или рыскании для обеспечения нужного пространственного положения без использования системы управления. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Гироскопический привод представляет собой устройство, обеспечивающее возможность ориентации платформы, на которой оно установлено, при этом для осуществления этого используется закон сохранения момента количества движения. Такая ориентация достигается без использования физических свойств окружающей среды (воды или воздуха). Поэтому платформа не имеет никакой управляющей поверхности (аэродинамической или гидродинамической).

Планируется применение в следующих областях:

В авиации для самолетов с неподвижными крыльями, где он может заменить аэродинамические управляющие поверхности самолетов (крылья, рули направления и т.д.), для осуществления поворотов посредством гироскопического привода при крене, вращении вокруг продольной оси или рыскании.

На вертолетах для замены рулевого винта, который создает вращающий момент, компенсирующий реактивный момент, обусловленный несущим винтом. Привод создает этот компенсирующий вращающий момент и обеспечивает возможность управления вертолетом при рыскании.

На морских транспортных средствах, где он может заменить рули шлюпок и кораблей, для осуществления маневрирования посредством гироскопического привода.

Для стабилизации наземных транспортных средств (легковых автомобилей, грузовых автомобилей, автобусов и поездов), при этом во время движения транспортного средства он может создавать вращающие моменты, которые противодействуют опрокидывающим моментам, возникающим при изменении направления.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение с учетом указанных областей применения относится к авиации, морским средствам и наземным транспортным средствам с двигателем.

Предшествующий уровень техники

Устройства такого типа разработаны в аэрокосмической отрасли. Имеются многочисленные патенты, прежде всего США, которые отражают уровень техники в этой области. Нижеследующие даны для примера: US 006135392 A, US 005826829 A и US 005931421 A, в которых также содержатся ссылки на другие патенты.

Устройства такого типа устанавливают на спутниках для управления пространственным положением платформы с целью достижения отвечающей требованиям ориентации бортового оборудования. Используемые гироскопические устройства известны как узлы инерционных роторов, иначе говоря, как узлы реактивных роторов или также как узлы роторов с кинетической энергией. Они содержат 3 ротора или диска, расположенных ортогонально в соответствии с трехмерными осями системы отсчета спутника, при этом в случае собственного вращения они создают вращающие моменты, каждый ротор по своей оси. Чтобы создать определенный вращающий момент, который будет изменять ориентацию спутника, роторы вращаются так, что результирующий вращающий момент, создаваемый ортогональной сборкой из трех роторов, удовлетворяет требованиям, необходимым для обеспечения нужного перемещения конструкции.

Способ создания большего или меньшего вращающего момента по определенной оси системы отсчета заключается в ускорении или замедлении собственного вращения соответствующих реактивных роторов или роторов с кинетической энергией. Посредством такого устройства можно создавать максимальные вращающие моменты, составляющие 1,6 Н·м.

Имеются устройства с реактивными роторами (роторами с кинетической энергией), предлагаемые фирмой Honeywell, например модели HR12, HR14, HR16, HM 4520 и HR2010/HR4510, имеющие следующие основные характеристики: частота собственного вращения около 5000 об/мин, масса от 9 до 11 кг, максимальный диаметр от 300 до 400 мм и результирующие вращающие моменты от 0,1 до 0,2 Н·м.

По причине слишком низких значений результирующего вращающего момента были разработаны другие устройства, управляющая способность которых несколько увеличена. К ним относится так называемая платформа с ротором, обладающим кинетической энергией, описанная в патенте US 005112012, основу которой образуют три узла, каждый из которых включает реактивный ротор (ротор, обладающий кинетической энергией), установленный на плоской треугольной плите, которая содержит несколько винтов, расположенных в угловых частях плиты, при постепенном перемещении которых посредством двигателей осуществляется управление ориентацией плиты, поскольку при вращении винтов наклон плиты изменяется, и в этой платформе повышено результирующее количество движения. Однако это повышение все же очень небольшое, поскольку путем поворота винтов нельзя получить быстрого перемещения.

Позднее было разработано новое устройство, названное гироскопом с управляемым моментом, также продаваемое фирмой Honeywell, содержащее сферический элемент, который вращается с частотой 6000 об/мин, установленный в рамочном узле с несколькими осями. В нем развивается максимальный вращающий момент 305 Н·м, однако его размеры очень большие: диаметр 1 м и масса 53 кг.

Устройства, создающие вращающий момент в космосе, вследствие ограниченных значений параметров и высокой стоимости практически непригодны для работы в наземных условиях, где необходимые вращающие моменты, зависящие от области применения, могут быть очень высокими.

Гироскопический привод должен быть устройством, имеющим размеры, соответствующие области применения, в которой он должен работать, и создающим вращающие моменты в пределах, необходимых для этой области применения. Эти возможности реализуются путем сочетания собственных вращений и нутационных перемещений с особой геометрией; вместо инерционных роторов использованы кольца, с помощью которых, как показано в этом описании, можно получать расширенные функциональные возможности. Например, при том же самом простом материале (углеродистой стали), частоте собственного вращения 3000 об/мин, максимальном диаметре 300 мм, высоте 350 мм и общей массе 10 кг можно в течение неопределенного времени получать вращающие моменты свыше 650 Н·м. Очевидно, что при других размерах могут быть получены значительно более высокие результирующие вращающие моменты.

Основные положения концепции гироскопического привода основаны на том, что ограничения на создаваемый вращающий момент накладываются жесткостью материала, из которого изготовлены кольца механизма, и возможностями электроники, относящейся к двигателю, который используется для создания нутационного перемещения.

Поскольку гироскопический привод обеспечивает возможность создания механического вращающего момента на платформе, на которой он установлен, и в результате этого изменение ориентации платформы, то, как показано выше, его можно широко использовать для этой цели. Ниже подтверждается возможность его использования в каждой одной из областей применения.

Авиация. Управление самолетами с неподвижными крыльями при крене, вращении вокруг продольной оси и рыскании осуществляют с помощью аэродинамических управляющих поверхностей, которые размещены на крыльях, стабилизаторах и рулях в хвостовой части. Хотя имеются многочисленные варианты основной конфигурации, но принцип управления основан на использовании аэродинамического сопротивления, которое создают эти поверхности, или на изменении их исходной аэродинамической схемы для осуществления требуемого маневра. С помощью аэродинамического сопротивления они создают результирующие вращающие моменты, а на конструктивных элементах самолета возникают силы, в результате чего осуществляется маневр.

Гироскопический привод создает на структурных элементах самолета несколько вращающих моментов, которые вызывают изменение его ориентации по трем осям системы отсчета, связанной с ним, вследствие чего приводят к повороту при крене, вращении вокруг продольной оси и рыскании, который обеспечивает выполнение требуемого маневра.

Необходимость в гироскопическом приводе является очевидной, поскольку его использование обеспечивает получение следующих преимуществ по сравнению с обычными способом (аэродинамическими поверхностями):

Отсутствуют аэродинамические сопротивления, связанные с работой самого привода, для преодоления которых требуется дополнительный расход энергии.

Исключаются механизмы, связанные с используемыми управляющими поверхностями, а также упрощается наружная архитектура самолета (крыльев и стабилизаторов). Это приводит к увеличению полезной нагрузки.

Что касается уровня техники, то можно показать, что в самолетах с фиксированными крыльями некоторых видов, а именно в некоторых моделях боевых самолетов, маневрирование может быть улучшено, если в дополнение к использованию управляющей поверхности изменять вектор тяги в соплах двигателя. Это достигается путем отклонения выхлопных газов в существующем сопле, геометрию которого изменяют соответствующим образом.

Вертолеты. Как известно, вертолет представляет собой разновидность самолета с вращающимся крылом, при этом он имеет несущий воздушный винт, приводимый в движение двигателем, посредством которого он может удерживаться в воздухе и также перемещаться. Вращающий момент, благодаря которому вращается несущий воздушный винт, создает другой вращающий момент противоположного знака, который вызывает вращение фюзеляжа в направлении, противоположном направлению вращения воздушного винта, если не применять одно из нескольких решений, разработанных к настоящему времени. Следующие решения представляются наиболее важными (Modern fighting helicopters, Bill Gunston and Mike Shick, 1998, Greenwich Editions):

Воздушные винты разного диаметра. Примером использования такой конфигурации является вертолет «Линкс». Из всех решений это решение является наиболее общим. Компенсирующий вращающий момент создается воздушным винтом в хвостовой части фюзеляжа, который также обеспечивает возможность управления ориентацией при рыскании летательного аппарата.

Однотипные тандемные воздушные винты. Примером является вертолет «Чинук». В этой конфигурации имеются два несущих винта, которые находятся в одной и той же плоскости и разнесены, при этом вращаются в противоположных направлениях, что обеспечивает компенсацию создаваемых ими вращающих моментов.

Однотипные боковые. Примером является вертолет V-12. Два винта расположены по обеим сторонам фюзеляжа и вращаются в противоположных направлениях в таких режимах, что вращающие моменты компенсируются.

Однотипные с перекрещивающимися осями. Примером является вертолет НН-43. Это разновидность предыдущей конфигурации, в которой винты приближены друг к другу до перекрещивания лопастей, чем достигается более компактная конфигурация.

Однотипные соосные. Примером является вертолет Ка-25. Оси двух роторов выполнены коаксиальными, в результате чего создаются два одинаковых вращающих момента с противоположными знаками.

Для наиболее распространенной конфигурации (первой) делались попытки исключить хвостовой винт за счет выбрасывания горячих газов из двигателя (обычно турбинного типа) через хвостовую часть фюзеляжа. Примером является вертолет NOTAR фирмы McDonnel Douglas. Несмотря на то, что основным недостатком конфигураций такого типа является повышенный расход топлива, с использованием этого принципа были разработаны несколько моделей.

При соответствующем расположении гироскопического привода в фюзеляже вертолета можно иметь единственный винт, несущий винт, поскольку создаваемый вращающий момент будет компенсироваться посредством привода, и при этом также будет обеспечиваться возможность ориентации при рыскании.

По сравнению с известными способами появляются преимущества, вытекающие из исключения определенной части конструкции хвоста вертолета вместе с дополнительным винтом. Ими являются следующие:

Механическое упрощение летательного аппарата за счет исключения дополнительного винта.

Снижение общей массы. Хотя необходимо использовать новое устройство (гироскопический привод), исключаются значительная часть фюзеляжа и механизмы, взаимодействующие с дополнительным винтом, вследствие чего результирующая общая масса будет меньше, чем первоначальная масса.

Улучшение аэродинамической формы. При исключении дополнительного винта и поддерживающей его конструкции получается более плавная внешняя аэродинамическая форма, подобная эллипсоиду вращения, при которой реализуется больше возможностей, присущих самолету.

Большая грузоподъемность. В случае новой формы вертолетом можно транспортировать груз большего объема и большей массы.

Морские средства. На лодке или судне любого типа для маневрирования используют руль, который, как и на самолетах, создает то, что кратко называют механическим моментом на конструкции, позволяя ориентировать ее в желаемом направлении.

Руль создает гидродинамическое сопротивление, обусловленное своим собственным действием, возрастающее по мере увеличения эквивалентной поверхности, обращенной к линиям обтекания водой.

Гироскопический привод на судне, имеющий нужные размеры и соответствующим образом размещенный, в этом случае будет создавать соответствующий вращающий момент, обеспечивающий изменение ориентации всей конструкции, так что желаемые маневры можно будет производить, исключив использование руля или рулей.

Преимущество такого устройства заключается главным образом в том, что привод позволяет осуществлять маневры судна без создания дополнительных сопротивлений, обусловленных увеличением эквивалентной поверхности относительно линий обтекания водой.

Применение гироскопического привода на морских платформах позволяет стабилизировать их и даже добиться правильного пространственного положения при крене, бортовой качке и рыскании, чтобы уверенно совершать маневры всех видов. Это особенно удобно на спортивных судах с двигателем или с парусом. Упомянем патенты, имеющие отношение к этому вопросу: US 004863404, US 0048117550.

Наземные транспортные средства. Немедленное применение, которое можно предвидеть в этой области, относится к стабилизации транспортных средств во время движения. Для легковых автомобилей (а также автобусов и грузовых автомобилей) в настоящее время имеются устройства двух типов, которые обеспечивают устойчивость транспортного средства, когда направление его перемещения изменяют достаточно резко, так что создается значительный опрокидывающий момент, действующий на конструкцию. Этими устройствами являются стабилизирующие штанги и активные демпфирующие системы. В обоих случаях происходит повышение жесткости подвески транспортного средства на стороне транспортного средства, в которую произошел наклон вследствие действия опрокидывающего момента, и снижение на противоположной стороне, так что возникает тенденция к наклону транспортного средства в направлении, противоположном направлению опрокидывающего момента, вследствие чего потеря устойчивости нейтрализуется за счет собственной смещенной массы. Нижеследующие патенты указаны в качестве ссылки: US 005876148, US 004930807, US 004550926, US 005876148, US 004345661, GB 2039834A, DE 4116837, JP 57182505.

Посредством узла, содержащего гироскопический привод, стабилизируемую гироскопом платформу и процессор, можно создать вращающий момент, противоположный опрокидывающему моменту транспортного средства, стабилизирующий его во время виляния, при котором утрачивается устойчивость. Принцип действия узла заключается в следующем: обнаруживается отклонение стабилизируемой гироскопом платформы, возникающее при крене, угловых колебаниях в продольной плоскости и рыскании транспортного средства относительно устойчивого положения (когда транспортное средство стоит или находится в движении без потери устойчивости). Полученные результаты измерений передаются в процессор, в котором формируются корректирующие команды, поступающие на привод для создания вращающих моментов, которые уменьшают потерю устойчивости конструкции транспортного средства.

Основное преимущество системы, основанной на использовании привода по сравнению с другими упомянутыми выше системами, заключается в широких пределах действия, поскольку во втором случае создаваемый эквивалентный вращающий момент, который противоположен опрокидывающему моменту, находится в некотором очень узком пределе вследствие своей сущности; однако при использовании системы на основе гироскопического привода возможность создания вращающего момента зависит от конструкции реального устройства, а не от конструкции агрегата, и при этом вращающий момент может быть очень высоким, что будет показано позднее при описании механизма.

Привод может найти такое же применение на железнодорожном транспорте, какое описано для автомобилей, поскольку одним из наиболее важных факторов, ограничивающих скорость поездов, является горизонтальный радиус кривизны железнодорожного пути, потому что когда поезд совершает поворот, на пассажиров действует центробежное ускорение, максимальное значение которого ограничено правилами, действующими в каждой стране. Для снижения этого значения существуют решения двух видов: первое разработано компанией PATENTES TALGO и заключается в создании конструкции вагона с настилом, на котором пассажирская площадка установлена так, что при повороте пассажирская площадка поворачивается и наклоняется, а центробежная сила, испытываемая пассажирами, разделяется на две составляющие, одна из которых перпендикулярна к основанию пассажирской площадки, а другая перпендикулярна к предшествующей, при этом одна из них является той, которая оказывает отрицательное воздействие, но которая меньше по сравнению с центробежной силой, существующей в случае, когда пассажирская площадка остается совершенно горизонтальной (вследствие маятникового эффекта).

Решение второго вида заключается в активном демпфировании, аналогичном упомянутому выше для автомобилей, при котором создается соответствующий наклон пассажирской площадки вагона.

Можно сослаться на следующие патенты, относящиеся к вышеуказанному: FR2563487, FR2563487-A-1, US5573265.

Гироскопический привод, образующий часть узла, подобного узлу, описанному выше (со стабилизирующей платформой и процессором), может не только создавать требуемый наклон пассажирской площадки вагона, но также может способствовать достижению абсолютной устойчивости конструкции, создавая относительный вращающий момент, противодействующий опрокидыванию.

Основное преимущество для железнодорожного транспорта заключается в возможности движения с большими скоростями, чем в настоящее время, при этом даже, возможно, с обеспечением более безопасных и комфортных условий.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана частица с массой m, перемещающаяся по траектории в пространстве со скоростью v в системе отсчета Oxyz, в которой она имеет вектор r положения и момент h количества движения. Этот чертеж предназначен для иллюстрации физического закона, на котором основано изобретение.

На фиг. 2 показано кольцо в плоскости π и также то же самое кольцо в плоскости π', которая повернута относительно первой. Ось вращения проходит через диаметральную линию кольца.

На фиг. 3 показана система отсчета, связанная с типичным кольцом, используемым в механизме. Центр О совпадает с центром кольца. Ось Z совпадает с главной осью, перпендикулярной средней окружной плоскости кольца, а оси Х и Y, перпендикулярные к Z и друг к другу, образуют вращающую вправо систему и находятся в средней окружной плоскости.

На фиг. 4 показаны четыре кольца, образующие механизм, спроектированные на плоскость ZY инерциальной системы отсчета, оси Z и Х которой совпадают с системой отсчета, показанной сплошными линиями на фиг. 3. Концентрически расположенные кольца вращаются в этой плоскости: 1 и 3 под углом -β, 2 и 4 под углом +β. Кольца из нижнего квадрата (1 и 3) имеют отрицательную угловую скорость собственного вращения. Кольца из верхнего квадрата (2 и 4) имеют положительную угловую скорость собственного вращения. Стрелками показано вращение с нутацией, которое кольца совершают при условиях, определенных выше. Во-первых, кольца 1 и 2 при вращении изменяют положения соответственно от +β до -β, при этом они создают составляющие Nx, -Ny, +Nz (кольцо 1) и -Nx, -Ny, -Nz (кольцо 2) вращающего момента, которые дают в результате вектор -2Ny, показанный на фигуре. То же самое происходит с кольцами 3 и 4, которые начинают вращаться в конце перемещения двух других.

На фиг. 5 показана структурная схема устройства, названного инвертором вращающего момента. Как показывает его наименование, он осуществляет при необходимости инвертирование вращающего момента, создаваемого при совместном движении четырех колец. Как описано ниже, в течение рабочего цикла кольца попеременно создают вращающие моменты противоположных знаков. Это устройство попеременно инвертирует вращающие моменты для того, чтобы в результате получались моменты одного знака. Поэтому устройство может быть включено (положение в левой части) или выключено (положение в правой части). Оно содержит планетарную зубчатую передачу е2, на оси которой имеется штанга, которая может установлена в положение А (чертеж слева) или в положение В (чертеж справа). Этой штангой инвертор вращающего момента включается или выключается. Планетарная зубчатая передача е2 находится в зацеплении с сателлитом е3, который также находится в зацеплении (во включенном положении) с зубчатой передачей е1, которая представляет собой зубчатую передачу внутреннего зацепления. Зубчатая передача е3 имеет 2 выступа, которые могут быть введены в две полости, выполненные в зубчатой передаче е1 внутреннего зацепления (в выключенном положении). Работа этого устройства поясняется ниже.

На фиг. 6 показана схема механизма из четырех колец, которые согласованным образом могут осуществлять собственное вращение и периодическую нутацию, в результате действия которых создается вращающий момент, воспринимаемый гироскопическим приводом. Схема представляет собой проекцию на плоскость XZ инерциальной системы отсчета. Видны проекции четырех колец на эту плоскость (их прямолинейные участки). Также можно видеть опорные средства для колец в виде деталей (С1, С2, С3, С4), которые названы клиньями. Они имеют несколько участков, которые охватывают кольца, обеспечивая возможность их скольжения (собственного вращения). Можно видеть кинематические цепи, которые создают собственное вращение (ψ) и нутационное движение (θ) колец при относительных вращающих моментах.

На фиг. 7 приведен график, на котором по вертикальным осям показаны значения углов нутации, которые в начальный момент времени имеет типичное кольцо, а значения времени показаны по оси х. Эта фигура используется для пояснения перехода, который возникает, когда кольцо начинает нутационное перемещение.

Фиг. 8 аналогична показанной выше, но относится к прекращению нутационного перемещения типового кольца.

На фиг. 9 приведен график, на котором показано значение вращающего момента Ny(t), создаваемого во время объединенного рабочего цикла четырех колец. Цикл состоит из двух полуциклов. Сначала начинается перемещение колец 1 и 2 (между 0 и t1), затем перемещение колец изменяется в соответствии с заданной функцией нутации (между t1 и t2) и, наконец, они останавливаются (между t2 и ta). В течение этого последнего интервала начинается перемещение колец 3 и 4 (между 0 и t1 из полуцикла) во втором полуцикле. Затем перемещение также изменяется в зависимости от заданной функции нутации (между t1 и t2) и наконец, прекращается (между t2 и ta). Тем самым заканчивается второй полуцикл и завершается рабочий цикл. При работе механизма совершается большое количество последовательных циклов.

На фиг. 10 показана структурная схема гироскопического привода. Детальное пояснение схемы приведено в разделе подробное описание изобретения.

Подробное описание изобретения

Все области применения, упомянутые выше, относятся к новым изобретениям, вытекающим из этой заявки. В этом разделе поясняется режим работы гироскопического привода, согласование которого с условиями эксплуатации, во всяком случае не приводящее к модификации описываемого гидравлического привода, позволяет получать различные конфигурации, пригодные для применения в областях, указанных выше.

Принцип действия гироскопического привода основан на законе сохранения момента количества движения. Момент количества движения частицы (фигура 1) с массой m, движущейся со скоростью v в инерциальной системе отсчета Oxyz, определяется значением h, полученным в результате векторного умножения вектора mv количества движения на вектор r местоположения частицы.

Из закона сохранения момента количества движения следует, что изменение момента h количества движения частицы, создаваемое при приложении силы F к частице, равно количеству движения или вращающему моменту N, который создается этой силой F относительно начала О системы отсчета.

Привод имеет механизм, состоящий из нескольких пар колец, например узел из двух пар колец, которые посредством согласованных собственного вращения и нутационного перемещения создают вращающий момент N, который удовлетворяет следующим условиям:

1. Вектор вращающего момента N должен иметь фиксированное направление и находиться в инерциальной системе отсчета.

2. Модуль вращающего момента N должен быть постоянным до тех пор, пока параметры, которые образуют его, преднамеренно не изменяют.

3. Продолжительность действия вращающего момента N при соблюдении предшествующих условий должна быть неограниченной до тех пор, пока параметры, которые образуют его, преднамеренно не изменяют.

Когда кольцо вращается в плоскости π, показанной на фиг. 2, и при этих обстоятельствах оно претерпевает нутационное перемещение с переходом орбиты в плоскость π', то происходит изменение момента h количества движения, что влечет за собой появление вращающего момента N. Механизм имеет 4 кольца, которые, действуя последовательно парами, создают вращающий момент N, удовлетворяющий трем нижеследующим условиям.

В соответствии с указанным 4 кольца имеют две степени свободы: собственное вращение (ψ) и нутацию (θ), при этом прецессия (φ) всегда равна нулю.

Все цилиндрические кольца по своим главным осям должны иметь одинаковые инерционные моменты. На фиг. 3 показана система отсчета, связанная с одним из колец. Собственное вращение происходит вокруг оси Z, а нутация относительно оси Х. Кольцам присвоены номера 1, 2, 3 и 4, при этом номер 1 относится к самому внутреннему кольцу, а номер 4 к самому внешнему. Кольца вращаются с одинаковой скоростью, в чередующихся направлениях: кольцо 1 в +, 2 в -, 3 в +, 4 в -.

Кольца выполняют совместную работу парами, а именно, кольцо 1 сочетается с кольцом 2, а 3 с 4. Это означает, что 1 и 2 при совместном действии создают вращающий момент, затем 3 и 4 при действии создают такой же вращающий момент, так что рабочий цикл состоит из двух полуциклов: первого полуцикла при действии 1 и 2 и второго полуцикла при действии 3 и 4.

Под действием пар колец понимается нутационное перемещение (собственное вращение осуществляется непрерывно). Нутационное перемещение для кольца 1 заключается в прохождении из одной плоскости, расположенной относительно плоскости ZY под углом θ =-β, до другой плоскости под углом θ = +β. В то же самое время для кольца 2 оно заключается в прохождении из одной плоскости, расположенной также относительно плоскости XY под углом θ = +β, до другой плоскости под углом θ = -β.

Когда кольца 3 и 4 начинают работать, они осуществляют такое же нутационное перемещение, какое показано для колец 1 и 2. Таким образом завершается цикл. Следующий цикл снова начинается с нутационного перемещения колец 1 и 2, которые теперь совершают перемещение в противоположном направлении; положение кольца 1 изменяется от угла θ = β до θ = -β, а кольца 2 от угла θ = -β до θ = β. В этом цикле кольца 3 и 4 также действуют аналогично кольцам 1 и 2. А именно, в первом цикле действующие попарно кольца осуществляют нутационное перемещение, а в следующем цикле они прекращают нутационное перемещение.

На фиг. 4 можно видеть проекции зубчатых колес на плоскость ZY. Направление угловой скорости (+ или -) собственного вращения показано для каждого зубчатого кольца, а посредством стрелок показаны направления нутационных перемещений. Также видны создаваемые механические моменты. В данном случае показаны только составляющие по осям Y и Z, поскольку составляющая по оси Х ортогональна к показанной плоскости.

Когда пара колец действует, составляющие по осям Х и Z результирующих механических моментов для каждого кольца направлены противоположно друг к другу и компенсируются. Однако составляющие по оси Y имеют одинаковое направление и положение для обоих колец, так что они складываются друг с другом. На этом основан принцип действия механизма, и это показано на фиг. 4, поэтому полезной составляющей механического момента, которая создает вращающий момент, необходимый для работы, является Ny.

Значение вращающего момента Ny, который создается каждым кольцом, выражается как:

где Iz - главный инерционный момент по оси Z рассматриваемого кольца в соответствии с системой отсчета, указанной выше.

Функция собственного вращения, обозначенная как ψ(t), является линейной, в результате чего собственное вращение кольца происходит с постоянной угловой скоростью. Однако нутационная функция θ(t) должна быть обратной круговой с тем, чтобы проекция вращающего момента на ось Y была постоянной во время развития нутационного перемещения. Ход этих функций и совместная работа колец парами гарантируют получение постоянного вектора вращающего момента (не направления, что будет показано ниже), постоянный модуль и регулируемое время действия (при желании), что является частью упомянутых выше условий, которым должен удовлетворять гироскопический привод.

На фиг. 6 схематично показан механизм гироскопического привода с четырьмя кольцами, спроектированными на плоскость XZ, и кинематическими цепями, состоящими из зубчатых механизмов, которые обеспечивают собственное вращение ψ и нутационное перемещение θ. Из этой фигуры можно понять работу механизма в целом.

Помня, что в основу работы механизма положено согласование вращательных и нутационных перемещений колец, на этой фигуре можно видеть, каким образом вращение ψ зубчатой передачи е15 передается по кинематической цепи, состоящей из зубчатых передач е16, е17, е18, е19, е20 и е30, которая соединена с кольцом 4, имеющим зубчатый участок на верхней наружной части, который связан с зубьями 30, непосредственно передающими вращательное перемещение (- направление). Кольцо 4 на внутренней нижней части имеет еще один зубчатый участок, который находится в зацеплении с передачей е31, прикрепленной к передаче е32. Последняя находится в зацеплении с зубчатым участком верхней наружной части кольца 3. Поэтому это кольцо приводится во вращение, но в направлении, противоположном направлению собственного вращения кольца 4 (+ направление). В результате оба кольца вращаются с одинаковой частотой, но в противоположных направлениях.

Кольцо 2 воспринимает то же самое вращательное перемещение от зубчатой передачи е15 через цепь е16, е17, е18, е19, е21, е22, е23, е24, е25, е26 и е27. Последняя передача передает вращательное перемещение кольцу 2, которое, в свою очередь, осуществляет передачу в противоположном направлении кольцу 1 посредством передач е28 и е29 тем же самым способом, который был пояснен для колец 4 и 3.

Нутационное перемещение передается на пары колец 1, 2 и 2, 3 независимо. В первом случае нутация θ воспринимается через зубчатую передачу е36, через посредство кинематической цепи е35, е34, е33, е8 и е7, ось которой прикреплена к клину С2. Он представляет собой деталь, которая охватывает участок кольца 2, действуя как опора, при этом кольцо перемещается, будучи окруженным этой деталью (клином), которая способствует его удержанию и также вынуждает его совершать нутацию θ, даже когда оно осуществляет собственное вращение ψ. Поэтому когда е7 вращается для образования нутации в пределах от +β до -β, то будет поворачиваться прикрепленный к нему С2 и, следовательно, кольцо 2. Понятно, что значение β не должно превышать 70°.

Когда при нутации клин С2 поворачивается указанным способом, то через зубчатые передачи е3, е2 и е1 поворот передается в противоположном направлении к клину С1, поскольку передачи е3 и е2 образуют планетарный узел с сателлитами, находящийся в зубчатом зацеплении с передачей е1, которая представляет собой зубчатую передачу внутреннего зацепления. Клин С1 вынуждает кольцо 1 поворачиваться с образованием нутации в пределах от -β до +β.

Нутационное перемещение θ для колец 3 и 4 воспринимается зубчатой передачей е14. Оно передается по кинематической цепи е12, е11, е10 и е9. Ось последней зубчатой передачи прикреплена к клину С4, который вынуждает кольцо поворачиваться для образования нутации в пределах от +β до -β. Способом, поясненным применительно к кольцам 1 и 2, нутационное перемещение передается далее к кольцам 3 и 4 посредством зубчатых передач е6, е5, е4 и клина С3.

В последующем цикле передачи нутации знак должен быть изменен, для колец 2 и 4 он должен быть изменен от -β до +β, а для колец 1 и 3 от +β до -β.

Кинематические воздействия для получения вращения ψ(t) и нутации θ(t), сообщаемые соответствующим зубчатым передачам е15, е14 и е36, создаются силовым узлом, состоящим из трех двигателей с электронной регулировкой частоты вращения и вращающегося момента. Один из двигателей обеспечивает воздействие ψ(t) для зубчатой передачи е15, другой обеспечивает воздействие θ(t) для зубчатой передачи е36, а последний обеспечивает также воздействие θ (t) для зубчатой передачи е14.

Как можно видеть, в первом цикле при действии колец 1 и 2 получается вращающий момент -2Ny (знак минуса следует из терминологии, принятой для фиг. 4). Далее, когда действуют кольца 3 и 4, снова получается тот же вращающий момент -2Ny. Однако в следующем цикле действия колец 1 и 2, исключающем предшествующее нутационное движение, получается вращающий момент 2Ny с изменением знака. То же самое происходит в пределах этого второго цикла, когда действуют кольца 3 и 4, при этом опять создается вращающий момент 2Ny. Поэтому необходимо устройство, названное инвертором вращающего момента, показанное на фиг. 5, которое действует попеременно и противоположно в каждом цикле, так что знак вращающегося момента, который прикладывается механизмом к платформе, на которой он установлен, всегда один и тот же.

На фиг. 5 показан инвертор вращающего момента, слева во включенном положении (он выполняет инвертирование вращающего момента), а справа в выключенном положении (он не выполняет инвертирования вращающего момента и подводит к раме тот же самый вращающий момент, который он получает). Инвертор состоит из первой зубчатой передачи внутреннего зацепления с двумя отверстиями, жестко прикрепленной к оси рамы, узла, состоящего из двух зубчатых передач, образующих сателлит и водило, при этом последнее выполнено с двумя выступами, а штанга прикреплена к оси планетарной передачи.

Инвертор работает следующим образом: когда штанга находится в положении А, инвертор вращающего момента включен, а зубья сателлита находятся напротив зубчатой передачи внутреннего зацепления. Вращающий момент механизма воспринимается через ось водила, которое с помощью сателлита инвертирует вращающий момент, получаемый зубчатой передачей с внутренним зацеплением. Этот инвертированный вращающий момент передается к раме и в результате к платформе, на которой расположен гироскопический привод.

Когда штанга находится в положении В, инвертор выключен, а зубья сателлита больше не находятся напротив зубчатой передачи внутреннего зацепления. Однако выступы водила оказываются введенными в отверстия зубчатой передачи внутреннего зацепления. В этой ситуации вращающий момент, получаемый осью водила, передается без всякого инвертирования к зубчатой передаче внутреннего зацепления, которая передает его к раме без всякого инвертирования.

Посредством инвертора вращающего момента направление вектора вращающего момента сохраняется неизменным в течение всех рабочих циклов механизма, вследствие чего соблюдаются три условия, упомянутые в начале этого раздела.

Пояснение, сделанное до этого момента, относится к работе механизма в постоянном режиме, но в случае, когда нутационное вращение зубчатого кольца (при пуске) должно начинаться, то необходимо, чтобы прошел переходный интервал времени, в течение которого зубчатое колесо развивает скорость нутации от нуля до скорости, требуемой для удовлетворения нутационной функции в постоянном режиме (которую получают из нутационной функции dθ(t)/dt).

В этой ситуации появляется разрыв, который должен быть исключен путем использования для этого специфической функции g(t), которая имеет значение g(0)=-β (или g(0)=+β), когда кольцо останавливается при отсутствии скорости нутации, при этом перемещение (нутационное вращение) может быть начато в специфический момент времени (переходный момент времени), при котором обеспечивается возможность связи с функцией постоянного режима в конце переходного интервала и получение непрерывности в достигнутой точке (то есть g(t1)=θ(t1), где t1 представляет собой значение времени в конце переходного периода), а первая производная (dg(t)/dt|_t1=dθ(t)/dt|_t1, что аналогично существованию непрерывности угловых значений и скоростей нутации в конце переходного интервала. Указанный процесс показан на фиг. 7.

То же самое происходит, когда кольцо достигает конца хода при нутационном перемещении и должно остановиться. Его скорость не может измениться мгновенно от одного значения угловой скорости, определяемого выражением dθ(t)/dt, до нулевого значения. Должен пройти переходный интервал времени, в течение которого кольцо замедляется до тех пор, пока не остановится. Этот процесс представляет собой торможение. Он осуществляется с помощью другого кинематического воздействия h(t), которое, начиная с момента t2 времени, означающего конец интервала постоянного режима, оказывается на кольцо до момента t=ta времени, приводя его в состояние, при котором угловая скорость равна нулю, а его положение, определяющее нутацию, соответствует θ(ta)=μβ (или же θ(ta)=-μβ), где μ представляет собой коэффициент, близкий к 1. Эта ситуация показана на фиг. 8.

Переходные воздействия для разгона прикладываются к паре колец, которые действуют (1 и 2 или 3 и 4). Они должны совпадать по времени с переходными воздействиями для остановки другой пары колец (3 и 4 или 1 и 2), чтобы вращающие моменты, образованные для каждой пары (одной для разгона и другой для остановки), складывались друг с другом и не создавалось значительного изменения вращающего момента, прикладываемого механизмом. Как можно видеть из фиг. 9, в этих ситуациях при совместной работе колец достигается перекрытие. Эта область перекрытия является важной для правильной работы механизма без разрыва характеристик, влияющих на модуль вращающего момента Ny(t). Во всяком случае, если при подгонке размеров механизма к конкретному случаю применения в области перекрытия возникнет неравномерность характеристики Ny(t) в области перекрытия циклов между рамой механизма и платформой, на которой она установлена, можно использовать демпфер, сглаживающий эту неравномерность до допустимых значений.

В реальной ситуации цикл, показанный на фиг. 9, должен непрерывно повторяться до тех пор, пока вращающий момент гироскопического привода окажется более ненужным.

На фиг. 10 показана структурная схема гироскопического привода, на которой схематично показаны детали, рассмотренные при предшествующем пояснении. Можно видеть устройство, которое не упоминалось ранее, а именно блок управляющих воздействий. Он представляет собой электронное управляющее устройство, формирующее сигналы воздействий, которые должны воспроизводится двигателями в виде кинематических законов с целью получения желаемых вращающих моментов и продолжительности их действия.

Перемещения двигателей воспринимаются кинематическими цепями, которые приводят кольца во вращение и нутацию, в результате чего создается вращающий момент. Он пропускается через инвертор вращающего момента, который включен или не включен в зависимости от конкретного цикла. Включением управляет блок управляющих воздействий. Затем вращающий момент проходит через демпфер для сглаживания неравномерности в области перекрытия циклов и наконец достигает платформы, вызывая изменение ее ориентации.

На вращающий момент, создаваемый механизмом, в основном влияют три параметра:

Инерционность колец. Она обусловлена геометрией (размерами) и материалом, из которого изготовлены кольца.

Угловая скорость собственного вращения колец.

Продолжительность нутационного воздействия (ta на фиг. 9) в каждой согласованной паре колец.

В случае, когда требуется увеличить или уменьшить модуль вектора вращающего момента, из трех упомянутых выше параметров используют в основном последний (продолжительность нутации). Это одна из наиболее быстрых ответных реакций, поскольку она зависит от воздействия на соответствующие двигатели, которые создают кинематический закон в соответствии с командой, полученной с блока управляющих воздействий. Из выражения для вращающего момента Ny(t), приведенного выше, видно, что зависимость от продолжительности нутационного воздействия, которое выражено членом dθ(t)/dt, является обратно пропорциональной, при этом чем меньше продолжительность действия нутации, тем больше будет создаваемый вращающий момент.

Два других параметра не столь интересны для создания быстрых ответных реакций в гироскопическом приводе. Понятно, что изменить собственное вращение нельзя столь легко, как нутацию, а инерционность колец предполагается постоянной и не может быть каким-либо образом изменена.

Поскольку так получается, что при меньшей продолжительности действия закона нутации создается больший вращающий момент, то предел создаваемого вращающего момента зависит от основных характеристик материала, из которого изготовлены кольца; если он имеет хорошие механические свойства, например очень высокую жесткость, то во время работы при нутации будет испытывать незначительные деформации, при этом моменты инерционных сил будут сохраняться постоянными, создаваемый вращающий момент может становиться все выше и выше до тех пор, пока свойства материала окажутся недостаточными для сохранения сил инерции колец вследствие возникновения значительных деформаций. В этой ситуации предельные возможности материалов будут достигнуты для заданной геометрии и угловой скорости вращения, установленной на начальной стадии.

В соответствии с фиг. 9 и в некоторых областях применения, в которых постоянный вращающий момент не является абсолютно необходимым и когда возмущение/изменение ±20% относительно среднего значения вращающего момента может быть допустимым, можно использовать гироскопический привод с одной парой колец.

В большей части применений используют две пары колец, а когда необходима высокая точность, используют три пары колец.

Claims (3)

1. Гироскопический привод, содержащий по меньшей мере две пары цилиндрических колец, расположенных концентрически, имеющих одинаковые главные инерционные моменты и каждое из которых имеет две степени свободы, вращающихся с одинаковой скоростью в чередующихся направлениях, которые посредством согласованных собственного вращения и нутации создают вращающий момент, вектор которого после возникновения имеет фиксированное направление и положение в инерциальной системе отсчета и модуль которого, передаваемый платформе, имеет постоянное значение или среднее значение с периодическим возмущением меньше 20% этого среднего значения, а продолжительность его является неограниченной до тех пор, пока параметры, которые создают его, преднамеренно не изменяются, две независимые кинематические цепи, которые воспринимают перемещения двигателей для приведения колец во вращение и нутацию так, что собственное вращение доходит до одного кольца из каждой пары колец, что передается паре в противоположных направлениях и при одном и том же числе оборотов, а вращение для создания нутации передается посредством независимой кинематической цепи к каждой паре колец, при этом ось последней зубчатой передачи каждой кинематической цепи прикреплена к клину кольца из каждой пары, который при нутации поворачивается, передавая этот поворот, но в противоположном направлении клину другого кольца из каждой пары, а также инвертор вращающего момента, включением которого управляет блок управляющих воздействий и через который пропускается вращающий момент, вызывающий изменение ориентации платформы.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что функция собственного вращения является линейной и обеспечивает постоянную частоту вращения, а функция нутационного перемещения имеет вид: a·sin(pt±q), где t - независимая переменная времени, а р, q - две постоянные, так что в механизме получают постоянный модуль вектора вращающего момента.

3. Привод по п.2, отличающийся тем, что при указанном вращении для создания нутации, имеется одно дополнительное воздействие для начала нутации и другое для прекращения, которые действуют как переходные воздействия, обеспечивая возможность установки колец в заданные состояния, когда требуется перемещение с нутацией.

Images