СПОСОБ ВЗВЕДЕНИЯ ПРУЖИНЫ ГИРОМОТОРА Российский патент 2002 года по МПК G01C19/02 

Изобретение относится к гироскопическим приборам с пружинным гиромотором в наружном кардановом подвесе, которые могут быть использованы в качестве датчиков углов курса, рыскания и тангажа на различных подвижных объектах как военного, так и гражданского назначения. Кроме того, существует большая и важная область применения гироскопов, связанная с подготовкой специалистов, изучением и исследованием сложных динамических процессов в гироскопах и разработкой их математических моделей.

Известен гироскопический прибор [Патент США, нац. класс 74-5. 41, 2732721 от 31.01.1956 г.], содержащий пружинный гиромотор совмещенного типа, наружный кардановый подвес, фиксатор ротора со взведенной пружиной, выполненный в виде рычага, взаимодействующего с электромагнитом, и арретир ротора в виде плунжера, который взаимодействует парой "винт-гайка" с ротором. Датчик информации об угловом положении объекта размещен по оси вращения наружной рамки карданова подвеса.

В данной конструкции гироскопического прибора втулка для взведения пружины жестко соединена с внутренней рамкой карданова подвеса и на образующей втулки выполнена выемка для зацепления за втулку свободного внутреннего конца пружины. Другой конец пружины неразъемно соединен с ротором в его внутренней полости.

Способ запуска данного гироскопического прибора с пружинным гиромотором совмещенного типа в наружном кардановом подвесе заключается во взведении пружины путем ее перемотки из обода ротора на втулку вращением ротора. Взведение пружины осуществляют после введения свободного конца пружины в зацепление со втулкой с последующей фиксацией ротора и карданова подвеса. Снятие информации с датчика об угловом положении объекта производится после разарретирования.

Приведенная конструкция характеризуется наличием разъемного соединения пружины со втулкой, которая жестко связана с внутренней рамкой карданова подвеса. Разъемное соединение внутреннего конца пружины со втулкой является одним из недостатков указанного гироприбора. Такое устройство усложняет технологию взведения, так как при введении конца пружины в зацепление со втулкой перед взведением пружины требуется вводить во внутреннюю полость ротора специальный инструмент, с помощью которого производится захват конца пружины и введение его в выемку на втулке. Такая операция является сложной и может привести к повреждению и засорению пружины, втулки и внутренней полости ротора. Также в данной конструкции является сложным рычажный электромагнитный механизм фиксации ротора и рамок карданова подвеса и плунжерное устройство с парой "винт-гайка" для арретирования ротора.

Наиболее близким к предложенной конструкции по своей технической сущности решением является гироскопический прибор [Патент США, нац. класс 74-5.12 (интер. кл. G 01 C, 19/24) 3434354 от 25.03.1969 г.], содержащий ротор с пружинным двигателем совмещенного типа, наружный кардановый подвес, состоящий из внутренней и наружной рамок, вал ротора, жестко скрепленный с внутренней рамкой карданова подвеса, соосную с валом ротора втулку для навивки спиральной ленточной пружины, арретир для фиксации ротора с кардановым подвесом и датчик информации об угловом положении объекта.

В данной конструкции один конец пружины жестко соединен с ободом ротора, а другой, который взаимодействует со втулкой, поджимается к ней и входит в зацепление с ее выступом под действием собственной упругой силы. При быстром вращении ротора под действием центробежной силы упругий конец пружины отходит от втулки. Такая конструкция упрощает технологию взведения пружины за счет обеспечения автоматического зацепления пружины за втулку и, соответственно, многократную заводку гиромотора вращением ротора. Однако в процессе многократных проверок гироскопического прибора при снижении оборотов ротора конец пружины поджимается ко втулке, проскальзывает по выступу и может привести к повреждению конца пружины и выступа втулки, что может снизить надежность работы гироскопического прибора. Кроме того, описанная конструкция применима при использовании спиральных ленточных пружин небольшой толщины со слабой упругостью ее конца, которая обеспечивает отход от втулки при небольших оборотах ротора, характерных для пружинных гиромоторов. При повышении энергоемкости гиромотора путем увеличения толщины пружины возникает необходимость усложнять конструкцию, применяя составные пружины, что также снижает надежность работы и усложняет конструкцию.

В рассматриваемой конструкции арретирование и фиксация ротора осуществлены подпружиненным рычагом, который одним концом через пазы в наружной и внутренней рамках карданова подвеса подведен тангенциально к выемке на роторе. Другой опорный конец рычага установлен с упором в сектор, имеющий возможность вращения от пиропатрона относительно оси наружной рамки карданова подвеса и взаимодействующий с подпружиненным поворотным диском. При повороте сектора рычаг соскальзывает с него на диск и выходит из зацепления с ротором, после чего гиромотор разгоняется под действием спиральной ленточной пружины. Задержка в разарретировании рамок карданова подвеса гироскопа обеспечивается инерцией вращательного движения диска под действием собственной пружины. При вращении диска его прорезь подводится под опорный конец рычага и рычаг откидывается, освобождая рамки карданова подвеса гироскопа.

Способ запуска данного гироскопического прибора заключается во взведении пружины путем ее перемотки из обода ротора на втулку вращением ротора, фиксации ротора и карданова подвеса рычагом арретира до снятия информации об угловом положении объекта с датчика и подаче импульса силы на разарретирование от пиропатрона. Импульс силы, воздействуя на поворотный сектор, обеспечивает свободу движения рычага и инерционного диска с прорезью. Рычаг за счет соскальзывания с сектора на диск освобождает ротор, а после подхода прорези диска под опору рычага освобождает кардановый подвес. Таким образом имеет место разарретирование в две ступени: вначале освобождается ротор, а затем освобождается от связи с корпусом кардановый подвес. При этом отсутствует разделение в разарретировании внутренней и наружной рамок карданова подвеса, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Основным недостатком рассмотренной конструкции является ее сложность и низкая надежность из-за наличия двуплечего рычага с осью вращения в корпусе, подведенного одним концом через пазы в рамках карданова подвеса к ротору, а другим - к поворотному сектору и инерционному диску с большими плоскостями трения и нестабильным трением.

Предлагаемое изобретение актуально, так как требования к конструктивным и выходным характеристикам гироскопических приборов постоянно повышаются.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы гироскопического прибора с пружинным гиромотором совмещенного типа при упрощении конструкции и расширении функциональных возможностей. Это достигнуто за счет введения постоянной механической связи концов спиральной ленточной пружины как с ободом ротора, так и со втулкой для навивки пружины. Кроме того, фиксация ротора и арретирование рамок карданова подвеса гироскопа относительно корпуса осуществлено одним стержнем по направлению радиуса ротора, а разарретирование выполнено в три ступени: вначале освобождается ротор, затем последовательно внутренняя и наружная рамки карданова подвеса.

Способ взведения пружины гиромотора гироскопического прибора заключается во вращении ротора до туго заведенного состояния пружины на втулке и фиксации ротора относительно корпуса после взведения пружины, при этом перед вращением ротора перемещают, преодолевая усилие пружины сжатия, ползун по шлицу на оси ротора ко втулке, вводят в зацепление зубъя втулки и ползуна и вращают ротор в поджатом состоянии ползуна до его самозахвата, ориентировочно на 0,25...0,5 оборота, затем снимают усилие поджатия ползуна и вращают ротор до туго заведенного состояния с фиксацией относительно корпуса.

Способ запуска гироскопического прибора с пружинным гиромотором совмещенного типа в наружном кардановом подвесе, реализующий заявляемый способ взведения пружины, заключается во взведении пружины путем ее перемотки из обода ротора на втулку вращением ротора, фиксации ротора и карданова подвеса до снятия информации с датчика об угловом положении объекта и подаче импульса силы на разарретирование, дополнительно содержит следующие операции:
- перед взведением пружины свободную от связи с ротором и внутренней рамкой карданова подвеса втулку вводят во временное зацепление с внутренней рамкой карданова подвеса,
- после взведения осуществляют арретирование последовательным введением механической связи от корпуса к наружной и внутренней рамкам карданова подвеса и ротору в направлении его радиуса,
- при снятии информации об угловом положении объекта разарретируют гироскоп последовательно тремя ступенями: ротор, внутреннюю рамку карданова подвеса, наружную рамку карданова подвеса,
- в момент завершения разгона ротора разъединяют втулку с внутренней рамкой карданова подвеса.

Гироскопический прибор для реализации заявляемого способа взведения пружины гиромотора содержит ротор с пружинным двигателем совмещенного типа, наружный кардановый подвес, состоящий из внутренней и наружной рамок, вал ротора, жестко скрепленный с внутренней рамкой карданова подвеса, соосную с валом ротора втулку для навивки пружины, арретир для фиксации ротора с кардановым подвесом и датчик информации об угловом положении объекта, дополнительно включает следующее:
- пружину, соединенную неразъемно с ободом ротора и втулкой для навивки пружины во внутренней полости ротора,
- втулку, установленную с возможностью вращения на цилиндрическом центральном выступе стенки ротора, образуя подшипник скольжения, и совместно с пружиной ограниченную от перемещения по оси ротора диском, замыкающим полость ротора по периферии и обеспечивающим выход втулки через центральное отверстие диска за торец ротора,
- на валу ротора последовательно со втулкой установлен ползун с пружиной сжатия, который одним концом соединен с внутренней рамкой карданова подвеса шлицевым соединением и другим концом, выполненным в виде полого цилиндра по периферии с зубообразными кулачками вдоль образующей ползуна, введен во взаимодействие с аналогичными встречными зубообразными кулачками на поверхности втулки,
- торцы зубообразных кулачков ползуна и втулки сопряжены по винтовой поверхности с углом подъема на втулке в сторону вращения ротора при взведении пружины,
- арретир выполнен в виде подпружиненного штока с боковым стопором, который установлен с возможностью продольного перемещения по осевому отверстию и по шлицевому пазу в неподвижной цилиндрической опоре, укрепленной на корпусе, через окна в наружной и внутренней рамках карданова подвеса к тангенциальной выемке на цилиндрической поверхности ротора по направлению его радиуса,
- на наружной поверхности опоры размещена поворотная втулка с последовательными ступенчатыми выемками на боковой поверхности под стопор с шагом, соответствующим последовательному ходу штока от ротора до внутренней рамки карданова подвеса, до наружной рамки карданова подвеса и до корпуса.

Сущность данного предлагаемого изобретения заключается в том, что в конструкции импульсного гироскопа с пружинным гиромотором совмещенного типа, реализующим заявляемый способ взведения пружины, используется постоянная жесткая механическая связь разгонной спиральной ленточной пружины как с ободом ротора, так и со втулкой для навивки пружины. Также применен единый арретир для фиксации ротора и ступенчатого последовательного разарретирования ротора, внутренней и наружной рамок карданова подвеса, который выполнен в виде тонкостенного стержня. Указанные особенности и определяют простоту взведения пружины, запуска, конструкции и повышают надежность работы гироскопического прибора.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого гироскопического прибора, на фиг.2 показан вид А на фиг.1.

Гироскопический прибор содержит ротор 1 (фиг.1), который посредством двух шарикоподшипников 2 установлен на валу 3, закрепленном жестко во внутренней рамке карданова подвеса 4. Маховая масса ротора 1 выполнена в виде обода, во внутренней полости которого размещена ленточная пружина 5 и втулка 6, предназначенная для навивки пружины 5 и установленная свободно на цилиндрическом выступе ротора. Внутренняя полость ротора закрыта шайбой 7, которая удерживает от осевого перемещения пружину 5 и втулку 6. Пружина 5 соединена жестко зацепами 8 с ротором 1 и втулкой 6.

На валу ротора 3 установлен также ползун 9, нагруженный винтовой пружиной сжатия 10 и взаимодействующий со шлицевым штифтом 11, связанным через вал 3 с внутренней рамкой карданова подвеса 4. На торце ползуна 9 изготовлены равномерно по окружности зубообразные кулачки 12, между которыми выполнены участки винтовой поверхности 13. Торец ползуна 9 сопряжен с торцом втулки 6, на которой изготовлены встречные зубообразные кулачки и участки винтовой поверхности. Угол подъема α винтовой поверхности втулки 6 направлен по направлению вектора взведения пружины ротора (если смотреть навстречу вектору, вращение должно быть против часовой стрелки). Также зубообразные кулачки имеют угол захвата β меньше 90^o и направление захвата аналогично углу подъема винтовых поверхностей.

Внутренняя 4 и наружная 14 рамки карданова подвеса установлены в корпусе 15, имеющем выступ 16, на котором размещены оптронные пары в виде светодиода 17 и фотодиода 18, которые, взаимодействуя с зеркальной маской 19, укрепленной на внутренней рамке карданова подвеса 4, выдают информацию о дрейфе гироскопа относительно осей внутренней и наружной рамок карданова подвеса.

Арретир выполнен в виде стержня 20, фиг.2, который установлен с возможностью продольного перемещения по центральному отверстию цилиндрической опоры 21, укрепленной на корпусе 15. Вращение стержня 20 исключается за счет его бокового стопора, который может перемещаться в шлицевом пазу 23 опоры 21. Стержень 20 через отверстие в наружной рамке карданова подвеса 14 и паз в кронштейне 24, скрепленный с внутренней рамкой карданова подвеса 4, подведен к тангенциальной выемке 25 на роторе 1. В таком положении ротор зафиксирован во взведенном состоянии пружины от вращения по стрелке В, а кардановый подвес удерживает ротор от вращения относительно осей подвеса.

В поджатом к ротору состоянии стержень 20 удерживается боковым стопором 22, который введен во взаимодействие с верхней площадкой ступенчатой выемки 26, выполненной на цилиндрической поворотной втулке 27, установленной на опоре 21. Между венчиком 28 втулки 27 и гайкой 29 стержня 20 размещена пружина сжатия 30, способная отбрасывать стержень по направлению от ротора при вращении втулки 27 по вектору и перемещении стопора 22 по ступеням выемки 26. Шаг ступенчатых выемок (а, b, с) соответствует последовательному ходу стержня от ротора до внутренней рамки карданова подвеса, до наружной рамки карданова подвеса и до корпуса, т.е. освобождению внутренней и наружной рамок карданова подвеса, что обеспечит свободу вращения ротора по осям карданова подвеса.

Следует отметить, что в процессе разгона под действием движущего момента пружины втулка 6 нагружена моментом по вектору и за счет зацепления с ползуном 9 неподвижна относительно ротора. При этом выступ "С" ротора скользит по внутренней поверхности втулки 6 и создает дополнительный момент сопротивления вращению ротора при разгоне. Однако по сравнению с движущим моментом пружины дополнительный вредный момент сопротивления пренебрежимо мал и практически не влияет на разгон.

После разгона ротора, когда движущий момент пружины равен нулю, втулка 6 начинает вращаться вместе с пружиной и ротором. В этот момент ползун 9 под действием винтовых площадок 13 и пружины 10 отбрасывается по шлицу 11 и не создает помех вращению ротора. После разгона ротора и разарретирования карданова подвеса гироскоп обеспечивает возможность получения информации об угловом положении объекта с помощью оптических элементов 17, 18.

Подготовка ротора к его запуску включает взведение пружины и арретирование. При взведении пружины вначале, преодолевая усилие пружины 10, подводят ползун 9 к втулке 6, обеспечивая зацепление зубьев 12 и сопряжение винтовых площадок 13, Затем вращают ротор в поджатом состоянии ползуна по вектору до самозахвата зубьев ползуна и втулки ориентировочно на 0,25... 0,5 оборота ротора. После самозахвата снимают усилие поджатия ползуна и вращают ротор до тугозаведенного состояния пружины на втулке 6. При арретировании, преодолевая усилие пружины 30, фиг.2, поджимают стержень 20 к ротору в выемку 25, предварительно пропустив его через отверстие в наружной рамке карданова подвеса и паз в кронштейне 24 внутренней рамки карданова подвеса. После досылания стержня до ротора фиксируют его положение поворотом втулки 27, подводя ступенчатую выемку 26 под стопор 22.

Таким образом, приведенный выше способ взведения пружины гиромотора повышает надежность работы гироскопического прибора с пружинным гиромотором совмещенного типа при упрощении конструкции и расширении функциональных возможностей. Это достигнуто за счет введения постоянной механической связи концов спиральной ленточной пружины как с ободом ротора, так и со втулкой для навивки пружины. Такой подход исключает механическое воздействие элементов конструкции и технологических инструментов на пружину при ее работе и взведении. Кроме того, фиксация ротора и арретирование рамок карданова подвеса гироскопа относительно корпуса осуществлено одним стержнем по направлению радиуса ротора, а разарретирование выполнено в три ступени: вначале освобождается ротор, затем последовательно внутренняя и наружная рамки карданова подвеса.

Изобретение относится к гироскопическим приборам с пружинным гиромотором в наружном кардановом подвесе, которые могут быть использованы в качестве датчиков углов курса, рыскания и тангажа на различных подвижных объектах как военного, так и гражданского назначения. Технический результат - повышение надежности работы. Способ заключается во вращении ротора до туго заведенного состояния пружины на втулке и фиксации ротора относительно корпуса после взведения пружины. Перед вращением ротора перемещают, преодолевая усилие пружины сжатия, ползун по шлицу на оси ротора ко втулке, вводят в зацепление зубья втулки и ползуна и вращают ротор в поджатом состоянии ползуна до его самозахвата, ориентировочно на 0,25-0,5 оборота. Снимают усилие поджатая ползуна и вращают ротор до туго заведенного состояния с фиксацией относительно корпуса. 2 ил.

Способ взведения пружины гиромотора гироскопического прибора, заключающийся во вращении ротора до туго заведенного состояния пружины на втулке и фиксации ротора относительно корпуса после взведения пружины, отличающийся тем, что перед вращением ротора перемещают, преодолевая усилие пружины сжатия, ползун по шлицу на оси ротора ко втулке, вводят в зацепление зубья втулки и ползуна, вращают ротор в поджатом состоянии ползуна до его самозахвата ориентировочно на 0,25-0,5 оборота, снимают усилие поджатия ползуна и вращают ротор туго заведенного состояния с фиксацией относительно корпуса.