ИМПУЛЬСНЫЙ ТРЕХСТЕПЕННЫЙ ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ПРИБОР, СПОСОБ ЕГО ЗАПУСКА И СПОСОБ ВЗВЕДЕНИЯ СПИРАЛЬНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ ПРУЖИН ИМПУЛЬСНОГО ТРЕХСТЕПЕННОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2003 года по МПК G01C19/02 

Изобретение относится к области управляемой ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам малогабаритных управляемых ракет, используемых в качестве гирокоординаторов.

Известен гироприбор, содержащий электрический гиродвигатель с двумя маховыми массами [1] . В данной конструкции способ запуска заключается в создании вращающего электромагнитного поля общей для двух маховых масс статорной обмоткой, намотанной на два пакета статора, размещенной, как и маховые массы, симметрично относительно центра масс гироскопа. Корпус гиромотора здесь является внутренней рамкой гироскопа, которая размещена между двух маховых масс.

Способ сборки для описанной конструкции заключается в объединении двух маховых масс общим валом, который посредством шарикоподшипников устанавливают в соосные втулки, выполненные во внутренней рамке, на которых также размещают пакеты пластин статора.

Недостатком описанной конструкции гироскопического прибора является большое время разгона ротора (до 30 секунд), характерное для электродвигателей, и сложность конструкции, обусловленная изготовлением пакетов статора и ротора, а также сложной статорной обмоткой и токоподводов 3-х фазного электрического тока, что снижает надежность работы гироскопа при воздействии внешних эксплуатационных факторов на малогабаритные управляемые ракеты.

Анализ современного уровня техники в данной области позволил выявить наиболее близкое техническое решение, являющееся прототипом предложенной конструкции.

Известна конструкция импульсного трехстепенного гироскопического прибора с пружинным гиромотором [2] , в значительной мере устраняющая приведенные выше недостатки. В этой конструкции способ запуска гироскопического прибора заключается в том, что к маховой массе прикладывают момент от спиральной ленточной пружины относительно внутренней рамки путем перемотки взведенной пружины со втулки во внутреннюю полость маховой массы. Конструкция импульсного гироскопического прибора содержит маховую массу ротора, выполненную в виде обода, в котором размещена спиральная ленточная пружина, внутреннюю рамку с втулкой, размещенной по оси ротора во внутренней полости обода, наружную рамку, корпус, датчик и арретир.

Способ взведения описанного устройства гироскопического прибора, содержащего ротор с маховой массой, разгоняемой спиральной ленточной пружиной, заключается во введении свободного конца пружины в выемку на втулке внутренней рамки, взведении (намотка) пружины на втулку и последующем арретировании гироскопа.

Преимуществом описанной конструкции гироскопического прибора является простота конструкции и малое время разгона ротора (менее 0,1 секунды), что удовлетворяет условиям работы на малогабаритных управляемых ракетах.

Недостатком этой конструкции является ее неравножесткость из-за консольных элементов внутренней рамки, нерациональное использование объема, отведенного под гироскоп в ракете, из-за охвата внутренней рамкой ротора и, следовательно, низкой его точности. Это обусловлено тем, что в заданных габаритах размещается небольшая маховая масса. Кроме того, неравножесткость снижает надежность ракеты из-за неравномерных упругих и температурных деформаций.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и точности работы гироскопического прибора.

Поставленная техническая задача решается за счет предложенной группы изобретений, связанных между собой единым изобретательским замыслом, а именно:
1. Конструкцией импульсного трехстепенного гироскопического прибора, содержащего корпус, ротор, внутреннюю и наружную рамки карданова подвеса, спиральную ленточную пружину, датчик угла и арретир. Ротор выполнен в виде двух маховых масс, каждая из которых образована стаканообразным ободом. Во внутренних полостях ободов размещены спиральные ленточные пружины, скрепленные внешними концами с ободами с относительным их смещением по образующей обода. При этом маховые массы установлены встречно открытыми полостями на общем валу посредством шарикоподшипников во втулке дискообразной внутренней рамки с кольцом жесткости на периферии и размещенной между маховыми массами. Концы втулки введены под пружины в полостях маховых масс, а на их поверхностях образованы гнезда для обеспечения зацепления разъемных внутренних концов пружин. Одна из маховых масс двуплечим подпружиненным рычагом, установленным в наружной рамке, соединена через дугообразный паз в корпусе со ступенчатой стержневой защелкой, размещенной в корпусе параллельно оси ротора, где последовательно защелке установлен пиротехнический толкатель. В диске внутренней рамки и на дне стаканообразных ободов выполнены сквозные отверстия, оси которых параллельны оси втулки. При этом внешние концы пружин на ободах установлены со смещением относительно образующей обода.

2. Способом запуска импульсного трехстепенного гироскопического прибора, основанным на разгоне маховой массы крутящим моментом взведенной спиральной ленточной пружины и заключающимся в том, что создают на время разгона относительную разбалансировку двух маховых масс и удерживают этим от смещения наружную рамку карданова подвеса, а в конце разгона устраняют относительную разбалансировку маховых масс и освобождают наружную рамку и в дальнейшем процессе работы гироскопического прибора для выделения (преобразования) координат положения используют ось наружной рамки карданова подвеса.

3. Способом взведения спиральных ленточных пружин импульсного гироскопического прибора, заключающимся в том, что сначала вводят свободные концы пружин в гнезда на втулке внутренней рамки карданова подвеса, а затем фиксируют одновременно концы двух пружин относительно внутренней рамки технологическим коромыслом через отверстия в дне стаканообразного обода и диске внутренней рамки с размещением коромысла с зазором от дна обода, после чего наматывают пружины на втулку, преимущественно на один-два оборота, после чего удаляют технологическое коромысло и завершают заводку пружин их перемоткой на втулку вращением обода до туго заведенного состояния и последующего арретирования защелкой.

Сущность предложенного технического решения заключается в оптимальной компоновке гироприбора по критерию "максимальный кинетический момент", что обеспечивает минимальную ошибку гироскопа из-за дрейфа от вредных моментов внешних сил. Ограничением здесь являются габариты прибора, которые для рассматриваемого класса малогабаритных управляемых ракет должны быть как можно меньшими. Это требование вытекает из необходимости максимально возможного увеличения основной нагрузки - боевой части.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид импульсного трехстепенного гироскопического прибора, на фиг.2 - сечение по А-А на фиг. 1, на фиг.3 - сечение по А-А на фиг.1 с технологическим коромыслом, на фиг.4 - сечение по Б-Б на фиг.2 с технологическим коромыслом, на фиг. 5 - сечение по Д-Д на фиг.2 с показом крепления внешних концов пружин с ободом.

Импульсный трехстепенной гироскопический прибор содержит корпус 1, основание 2, внутреннюю 3 и наружную 4 рамки карданова подвеса ротора 5, арретирующее устройство, включающее стержневую ступенчатую защелку 6, и подпружиненный двуплечий рычаг 7. Наружная рамка 4 выполнена традиционно в виде кольца сложной формы. Внутренняя рамка 3 состоит из нескольких фигур: тонкостенный диск 10, полый цилиндр (втулка) 8, перпендикулярный диску, и круглое кольцо 9, охватывающее диск и несущее цапфы подшипниковых опор внутренней рамки. Ротор 5 образует две маховые массы в виде стаканообразных ободов 11, расположенных своими открытыми полостями навстречу друг к другу с зазором 12 между их торцами.

Каждый обод 11 снабжен спиральной ленточной пружиной 13 и между собой они скреплены ступенчатым валом 14, размещенным в отверстии 15 втулки 8 соосно ободам 11.

Элементы внутренней рамки 3 выполнены следующим образом: кольцо 9 соосно ротору 5 и симметрично относительно торцов его ободов, диск 10 размещен в зазоре 12 между торцов ободов. Ступенчатый вал 14 обеспечивает объединение двух стаканообразных ободов 11 в одно целое - ротор 5, который установлен во внутренней рамке 3 на подшипниках 16, размещенных в отверстии 15 с возможностью перемещения вдоль его оси. Подшипники 16 зафиксированы упорными буртами 17 ступенчатого вала 14 и резьбовыми втулками 18 на торцах втулки 8. В диске 10 и на дне стаканообразных ободов 11 выполнены сквозные соосные и примыкающие к образующей втулке 8 отверстия 19, ось которых параллельна оси вращения ротора.

Двуплечий рычаг 7 арретирующего устройства введен во взаимодействие с одной из маховых масс 11. Другим плечом рычаг сопрягается со ступенчатой стержневой защелкой 6 через дугообразный паз в основании 2. Последовательно со стержневой защелкой установлен пиротехнический толкатель 20. Элементы оптронных пар в виде излучающего диода 21 и фотодиода 22, установленные в отверстиях основания 2, совместно с диском 23, закрепленным на оси наружной рамки 4, образуют датчик угла крена.

Зацепление пружин с втулкой 8 внутренней рамки осуществляется зацепами 25, входящими в гнезда 26 втулки. Крепление пружин 13 со стаканообразными ободами 11 производится заклепками 27 со смещением m их относительно друг друга вдоль образующей ободов 11. Для взведения гироскопа используется технологическое коромысло 24 с резьбовым хвостовиком "р", при этом толщина коромысла h_k меньше высоты зацепов h_з.

Работа описанного гироскопического прибора заключается в следующем.

При подаче электрического тока на пиротехнический толкатель 20 происходит его срабатывание. При этом стержневая защелка 6 перемещается в осевом направлении и при подходе ступенчатого паза к концу рычага 7 освобождает последний. При этом рычаг своим вторым концом выходит из зацепления с ротором 5 и дальнейшее его движение совмещено по времени с разгоном ротора крутящим моментом взведенных спиральных пружин 13. Время разгона ротора для рассматриваемого класса пружинных гиромоторов составляет величину 20...40 мс и примерно такое же время рычаг перемещается в пазу основания 2. Задержке времени движения рычага способствует колебательное движение наружной рамки вместе с рычагом при перемотке пружин 13 из заведенного состояния в спущенное и обеспечивается подбором зазора в пазу между рычагом и основанием, который находится в пределах 0,05...0,2 мм. Колебательное движение создается смещением m зон крепления внешних концов пружин заклепками 27 на ободе 11 относительно друг друга в пределах 15-30^o. После перемотки пружины будут уже прилегать к поверхности ободов, что устраняет дебаланс маховых масс. В дальнейшем ротор работает на выбеге (вращение по инерции).

При старте управляемой ракеты начинается угловое вращение корпуса 1 совместно с основанием 2 с установленной в нем оптронной парой (21, 22) относительно неподвижного, связанного с гироскопом диска 23, имеющего заданный рисунок профиля. Сигнал, снимаемый с фотодиода 22, используется в системе управления ракетой. При этом используется только одна ось наружной рамки гироскопа, что значительно упрощает конструкцию.

Таким образом, совокупность признаков предложенного гироскопического прибора является следствием его оптимальной компоновки за счет наиболее полного заполнения ротором отведенного для гироприбора объема, что повышает кинетический момент гироскопа и, следовательно, снижает его дрейф от вредных внешних моментов. Симметричность конструкции ротора гироскопа определяет равножесткость, что в свою очередь повышает надежность работы в процессе воздействия упругих деформаций при нагружении и воздействии температурных деформаций. Кроме того, конструкция гироскопа удовлетворяет требованиям, предъявляемым к малогабаритным управляемым ракетам по времени разгона ротора (0,05 с), простоте и технологичности конструкции.

Способ взведения импульсного гироскопического прибора описанной конструкции заключается в следующем.

После введения зацепов 25 в гнезда 26 втулки 8 заводят пружины 13 на 1.. . 2 оборота и фиксируют одновременно оба конца пружины относительно внутренней рамки 10 технологическим коромыслом 24, который устанавливается с зазором 4 между торцом коромысла и дном ротора (обода) 11. Толщина h_k коромысла выбирается меньше, чем высота h_з зацепа 25 примерно на 0,2...0,5 мм. После предварительного взведения на 1...2 оборота коромысло вынимают за его резьбовой хвостовик "р" и завершают окончательное взведение пружин до туго заведенного состояния, после чего вводят рычаг 7 арретира в зацепление с маховой массой и стержневой защелкой.

Источники информации
1. Делекторский Б.А., Мастяев Н.З., Орлов И.Н. Проектирование гироскопических электродвигателей. М. : Машиностроение, 1963, с. 35, рис.2.8 - аналог.

2. Патент США 2732721, Н.кл. 74-5.41, 31.01.1956 г.

Изобретение относится к области управляемой ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам малогабаритных управляемых ракет, используемых в качестве гирокоординаторов. Технический результат - повышение надежности и точности. Прибор содержит ротор, внутреннюю и наружную рамки карданова подвеса, спиральную ленточную пружину, корпус, датчик угла и арретир. Ротор выполнен в виде двух маховых масс, каждая из которых образована стаканообразным ободом. Во внутренних полостях ободов размещены спиральные ленточные пружины, скрепленные внешними концами с ободами с относительным их смещением вдоль образующей ободов. Маховые массы установлены встречно открытыми полостями на общем валу во втулке дискообразной внутренней рамки. Концы втулки введены под пружины в полостях маховых масс. Одна из маховых масс соединена со ступенчатой стержневой защелкой, размещенной в корпусе, где установлен пиротехнический толкатель. На время разгона создают относительную разбалансировку маховых масс и удерживают этим от смещения наружную рамку карданова подвеса. В конце разгона устраняют относительную разбалансировку маховых масс и освобождают наружную рамку. Для взведения пружин вводят их свободные концы в гнезда на втулках внутренней рамки. Завершают заводку пружин их перемоткой из обода на втулки вращения обода с последующим арретированием. 3 с. п. ф-лы, 5 ил.

1. Импульсный трехстепенный гироскопический прибор, содержащий корпус, ротор, внутреннюю и наружную рамки карданова подвеса, спиральную ленточную пружину, датчик угла и арретир, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде двух маховых масс, каждая из которых образована стаканообразным ободом, внутренняя рамка выполнена в виде диска, перпендикулярной диску втулки и кольца жесткости, охватывающего диск, маховые массы установлены встречно открытыми полостями на общем валу посредством шарикоподшипников во втулке внутренней рамки, при этом диск внутренней рамки размещен между маховыми массами, а в их внутренних полостях размещены спиральные ленточные пружины, скрепленные внешними концами с ободами маховых масс с относительным угловым смещением внешних концов пружин вдоль образующих ободов, концы втулки введены под пружины в полостях маховых масс, а на поверхности втулки образованы гнезда для зацепления разъемных внутренних концов пружин, причем одна из маховых масс двуплечим подпружиненным рычагом, установленным в наружной рамке, соединена через дугообразный паз в корпусе со ступенчатой стержневой защелкой, размещенной в корпусе параллельно оси ротора, в котором последовательно защелке установлен пиротехнический толкатель, а в диске внутренней рамки и в дне каждого стаканообразного обода выполнены сквозные соосные отверстия, оси которых параллельны оси втулки. 2. Способ запуска импульсного трехстепенного гироскопического прибора, заключающийся в разгоне ротора крутящим моментом взведенных спиральных пружин, отличающийся тем, что создают на время разгона относительную разбалансировку двух маховых масс, составляющих ротор, и удерживают этим от смещения наружную рамку карданова подвеса, а в конце разгона устраняют относительную разбалансировку маховых масс и освобождают наружную рамку, причем в процессе работы гироскопического прибора для выделения координат положения объекта используют ось наружной рамки. 3. Способ взведения спиральных ленточных пружин импульсного гироскопического прибора, заключающийся в том, что вводят свободные концы пружин в гнезда на втулке внутренней рамки карданова подвеса, фиксируют одновременно концы двух пружин относительно внутренней рамки технологическим коромыслом через соосные отверстия в дне стаканообразного обода и диске внутренней рамки с размещением коромысла с зазором от дна обода, затем наматывают пружины на втулку, преимущественно на один-два оборота, удаляют технологическое коромысло и завершают взведение пружин их перемоткой на втулку вращением ободов до туго заведенного состояния с последующим арретированием защелкой.