ИНЕРЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H01H35/14 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к электромеханическим инерционным датчикам порогового действия.

Известны инерционные переключатели /1,2/, содержащие сферическое инерционное тело, удерживаемое постоянным магнитом, цилиндрический направляющий канал для рабочего хода инерционного тела и контактную пару, размещенную в конце рабочего хода инерционного тела с возможностью замыкания контактов через материал инерционного тела.

Устройства [1,2] содержат признаки, совпадающие с изобретением: размещенное в корпусе сферическое инерционное тело, удерживаемое постоянным магнитом, и разомкнутую контактную пару.

Общий недостаток аналогов [1,2] заключается в том, что они могут реагировать только на составляющую ускорения, направленную вдоль оси цилиндрического направляющего канала, а при действии вдоль этой оси вибрационных нагрузок за счет колебаний инерционного тела может происходить размыкание контактов.

Прототипом является датчик ускорения [3] , содержащий размещенные в корпусе постоянный магнит, разомкнутую контактную пару с подвижным контактом в виде упругой консоли, закрепленной со стороны размещения магнита, сферическое инерционное тело, удерживаемое в исходном положении силой магнитного притяжения и установленное с возможностью перемещения по поверхности консоли как вдоль ее длины, так и в направлении ее поперечного прогиба. Замыкание контактной пары осуществляется за счет силы упругости контактирующей консоли при условии выхода инерционного тела в конце рабочего хода за подвижный край консоли в свободное пространство.

Устройство [3] содержит признаки, совпадающие с изобретением: размещенные в корпусе постоянный магнит, разомкнутую контактную пару с подвижным контактом в виде упругой консоли, закрепленной со стороны размещения магнита, сферическое инерционное тело, удерживаемое в исходном положении силой магнитного притяжения и установленное с возможностью перемещения как вдоль длины консоли, так и в направлении ее поперечного прогиба.

Функциональный недостаток прототипа [3] заключается в однократности действия, т. к. после одного срабатывания инерционное тело не возвращается в исходное положение при исчезновении инерционных сил. Возвращению препятствует упор в свободный край консоли.

Второй недостаток прототипа заключается в том, что после срабатывания инерционное тело, находясь в свободном пространстве, при действии вибрации имеет возможность ударять по краю упругой консоли, что может вызвать размыкание контактной пары.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков прототипа.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в обеспечении многократного срабатывания переключателя, находящегося на подвижном объекте, при одновременном повышении качества коммутации электрической цепи.

При действии двух компонент сил инерции заданного диапазона, а именно за счет приращения линейной скорости объекта и вращения его относительно продольной оси, должно обеспечиваться замкнутое состояние контактной пары. А в случае исчезновения силы инерции, направленной вдоль продольной оси объекта, контакты переключателя должны переходить в разомкнутое состояние. При повторном появлении силы инерции, направленной вдоль оси объекта, контактная пара должна вновь переходить в замкнутое состояние и т. д.

При этом имеется в виду, что частота вращения объекта относительно продольной оси находится в заданных пределах.

Для достижения вышеуказанного технического результата в инерционном переключателе, содержащем размещенные в корпусе постоянный магнит, разомкнутую контактную пару с подвижным контактом в виде упругой консоли, закрепленной со стороны размещения магнита, сферическое инерционное тело, удерживаемое в исходном положении силой магнитного притяжения и установленное с возможностью перемещения как вдоль консоли, так и в направлении ее поперечного прогиба, новым является то, что на пути рабочего хода инерционного тела закреплена упругая демпфирующая пластина под углом ϕ₀ к поверхности консоли с возможностью увеличения этого угла в процессе рабочего хода инерционного тела, причем угол ϕ₀ выполнен в пределах
90^°>ϕ₀≥2arctg(R/l_п), (1)
а соотношение упругих характеристик прогибов консоли и демпфирующей пластины выбрано из условия:

где ϕ₀ - начальный угол между консолью и демпфирующей пластиной;
R - радиус сферического инерционного тела;
l_п - рабочая длина демпфирующей пластины;
F_Kmin - заданная минимальная величина поперечной силы, обеспечивающая прогиб консоли для замыкания контактной пары;
n_y - величина составляющей ускорения направленной вдоль консоли, находящаяся в заданном диапазоне;
m - величина массы инерционного тела;
Δϕ -- увеличение угла наклона демпфирующей пластины под действием силы инерции F_y-n_y, находящейся в заданном диапазоне.

При отсутствии осевой составляющей ускорения n_x (в "паузе"), т. е. при отсутствии приращения линейной скорости объекта, на контактирующую консоль действует поперечная сила
F_x(Y) = 0,5n_y•m•sin(2ϕ₀+2Δϕ). (3)
Увеличение угла Δϕ в процессе рабочего хода инерционного тела с увеличением n_y приводит к ограничению роста величины F_x(Y), поскольку функция sin(2ϕ₀+2Δϕ) при этом уменьшается, т.к. угол ϕ₀+Δϕ превышает 45^o. Поэтому, как будет показано ниже при рассмотрении схемы действующих сил, величина F_x(Y) во всем заданном диапазоне n_y остается меньше минимальной величины силы F_kmin замыкания контактной пары. Вследствие этого в "паузе" контактная пара находится в разомкнутом состоянии. При появлении после "паузы" ускорения n_x заданной величины, увеличивается сила, действующая на контактирующую консоль:
F₂ = n_x•m+F_x(Y)
В этих условиях F₂ > F_k, и контактная пара переходит в замкнутое состояние.

В заданном диапазоне величин n_x, n_y получаемая суммарная поперечная сила F₂ существенно превышает величину F_k, создавая дополнительное контактное давление после замыкания контактной пары, превышающее возможный уровень вибрационных нагрузок, повышая качество коммутации электрической цепи.

Так, например, при n_x = n_y и ϕ₀+Δϕ = 45^° величина F₂ становится больше величины F_x=n_x•m в 1,5 раза.

Дополнительный эффект повышения качества коммутации электрических цепей получается за счет выполнения демпфирующей пластины с отогнутым язычком, опирающимся свободным концом на внутреннюю поверхность корпуса с возможностью скольжения по ней при изменении угла наклона демпфирующей пластины, выражающийся в гашении вибрационных колебаний за счет трения язычка по внутренней поверхности корпуса.

На фиг. 1 изображена конструкция инерционного переключателя;
на фиг. 2 показана схема сил, действующих на контактную консоль и демпфирующую пластину.

На приведенных фигурах обозначено:
1 - корпус,
2 - инерционное тело (шарик),
3 - постоянный магнит,
4 - неподвижный контакт,
5 - упругая контактирующая консоль,
6 - упругая демпфирующая пластина,
7 - язычок демпфирующей пластины,
8 - свободный конец язычка,
R - радиус инерционного тела,
l_п - рабочая длина демпфирующей пластины,
ϕ₀ - начальный угол между консолью и демпфирующей пластиной,
Δϕ - изменение угла наклона демпфирующей пластины при нагружении,
l_k - расстояние от точки соприкосновения шарика с демпфирующей пластиной до места ее крепления,
δ - величина межконтактного зазора,
F₂ - сила, действующая на контактирующую консоль,
F_y - величина силы инерции шарика, получаемая от вращения объекта вокруг продольной оси,
F_x(Y)- составляющая силы, направленная по нормали к контактирующей консоли,
F_g - величина нормальной силы, действующей на демпфирующую пластину,
x - продольная ось объекта,
y - поперечная ось объекта, параллельная контактирующей консоли.

Инерционный переключатель, изображенный на фиг. 1, состоит из корпуса 1, в котором размещены постоянный магнит 3 и контактная пара с неподвижным контактом 4 и упругой контактирующей консолью 5, закрепленной в корпусе 1 со стороны магнита 3. Инерционное тело 2 удерживается силой притяжения магнита 3. На пути рабочего хода инерционного тела 2 закреплена демпфирующая пластина 6 с отогнутым язычком 7, свободный конец 8 которого опирается на внутреннюю поверхность корпуса 1.

Демпфирующая пластина 6 установлена под углом относительно контактирующей консоли 5 с возможностью увеличения этого угла в процессе рабочего хода инерционного тела 2. Величина угла ϕ₀ выбрана из условия (1), а соотношение упругих характеристик прогибов консоли и демпфирующей пластины выбрано из условия (2).

Переключатель, установленный в объекте, работает следующим образом. На начальном этапе движения объекта линейная скорость по оси X увеличивается от нуля до некоторого значения, одновременно осуществляется закрутка объекта вокруг оси X. Под действием двух компонент сил инерции F_x = n_x•m и F_y=n_y•m инерционное тело 2, преодолев силу магнитного притяжения, отрывается от опорной поверхности и совершает рабочий ход. В процессе рабочего хода инерционное тело 2 перемещается как вдоль длины контактирующей консоли 5, так и в направлении ее поперечного прогиба, оказывая силовое воздействие на демпфирующую пластину 6. При этом суммарная сила F₂=F_x+F_x(Y)-n_x•m+ 0,5n_y•m•sin (2ϕ₀+2Δϕ). (см. фиг. 2) существенно превышает силу F_k замыкания контактов, поэтому контактная пара переходит в замкнутое состояние (на фиг.1 это состояние изображено штрихпунктирными линиями). При отключении средства разгона объекта осевая составляющая ускорения n_x=0, частота вращения объекта сохраняется, т.е. F₂=F_x(Y), и на контактирующую консоль действует, как уже указывалось выше, сила F_x(Y)=0,5n_y•m•sin (2ϕ₀+2Δϕ).
Контактная пара при таком силовом воздействии переходит в разомкнутое состояние. При повторном включении средства разгона сила воздействия на контактирующую консоль возрастает на величину n_x•m и становится больше величины F_kmax, контактная пара при этом переходит в замкнутое состояние.

Величина силы F_k при заданном значении межконтактного зазора δ для консольно закрепленной плоской пружины (см. фиг.2) может быть определена из соотношений, имеющихся в справочной литературе (см. например /4/, стр. 218).

Поскольку демпфирующая пластина 6 с отогнутым язычком 7, касающимся стенки корпуса 1, при нагружении ее силой F_g (см.фиг.2) представляет собой статическую неопределимую систему, а величина l_k изменяется в зависимости от изменения угла Δϕ, расчетные значения прогиба пластины и угла Δϕ можно получить численным методом на ЭВМ или экспериментально. Варьируя при этом величинами толщины пластины, ее ширины и модуля упругости материала, можно получить параметры упругого прогиба и угла Δϕ пластины 8, удовлетворяющие условию (2) в заданном диапазоне от n_ymin до n_ymax
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1820335, G 01 P 15/04, 07.06.93.

2. Патент США N 5193392, H 01 H 35/14, 06.10.92.

3. Патент ФРГ N DE 4106103 H 01 H 35/14, 12.03.92.

4. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник Т.1.- М.:Машиностроение, 1968.

Изобретение относится к электромеханическим инерционным датчикам порогового действия. Инерционный переключатель содержит размещенные в корпусе постоянный магнит, разомкнутую контактную пару с подвижным контактом в виде упругой консоли, закрепленной со стороны размещения магнита, сферическое инерционное тело, удерживаемое в исходном положении силой магнитного притяжения и установленное с возможностью перемещения как вдоль длины консоли, так и в направлении ее поперечного прогиба. На пути рабочего хода инерционного тела закреплена упругая демпфирующая пластина под углом ϕ₀ к поверхности консоли с возможностью увеличения этого угла в процессе рабочего хода инерционного тела. Угол ϕ₀ выполнен в пределах 90^o>ϕ₀≥2arc tg (R/l_п), а соотношение упругих характеристик прогибов консоли и демпфирующей пластины выбрано из условия: F_kmin > 0,5n_у•m•sin(2ϕ₀+2Δϕ), где ϕ₀ - начальный угол между консолью и пластиной, R - радиус инерционного тела, l_п - длина пластины, F_кmin - минимальная сила замыкания контактов, n_у - ускорение вдоль консоли, находящееся в заданном диапазоне, m - масса инерционного тела, Δϕ - увеличение угла наклона под действием силы инерции. Технический результат: обеспечение многократного срабатывания переключателя, находящегося на подвижном объекте, при одновременном повышении качества коммутации электрической цени. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Инерционный переключатель, содержащий размещенные в корпусе постоянный магнит, разомкнутую контактную пару с подвижным контактом в виде упругой консоли, закрепленной со стороны размещения магнита, сферическое инерционное тело, удерживаемое в исходном положении силой магнитного притяжения и установленное с возможностью перемещения как вдоль длины консоли, так и в направлении ее поперечного прогиба, отличающийся тем, что на пути рабочего хода инерционного тела закреплена упругая демпфирующая пластина под углом ϕ₀ к поверхности консоли с возможностью увеличения этого угла в процессе рабочего хода инерционного тела, причем угол ϕ₀ выполнен в пределах
90^o > ϕ₀ ≥ 2 arctg (R / l_п),
а соотношение упругих характеристик прогибов консоли и демпфирующей пластины выбрано из условия
F_кmin>0,5n_у•m•sin(2ϕ₀+2Δϕ),
где ϕ₀ - начальный угол между консолью и демпфирующей пластиной;
R - радиус сферического инерционного тела;
l_п - рабочая длина демпфирующей пластины;
F_кmin - заданная минимальная величина поперечной силы, обеспечивающая прогиб консоли для замыкания контактной пары;
n_у - величина составляющей ускорения, направленной вдоль консоли, находящаяся в заданном диапазоне;
m - масса инерционного тела;
Δϕ - увеличение угла наклона демпфирующей пластины под действием силы инерции в заданном диапазоне. 2. Инерционный переключатель по п.1, отличающийся тем, что упругая демпфирующая пластина выполнена с отогнутым язычком, опирающимся свободным концом на внутреннюю поверхность корпуса с возможностью скольжения по ней при изменении угла наклона демпфирующей пластины.