ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С УРАВНОВЕШЕННЫМИ ГИРОСКОПИЧЕСКИМИ СИЛАМИ Российский патент 2009 года по МПК G01C19/00 

Изобретение относится к гироскопическим устройствам. Может быть использовано преимущественно на средствах передвижения, в частности, содержащих гироскопы с массивными роторами.

Известен гироскоп, содержащий ротор, ось которого может изменять свое направление в пространстве, что обеспечивается применением карданного подвеса (см. "Политехнический словарь" под ред. А.Ю.Ишлинского, М.: Советская энциклопедия, - 1980, стр.122) (далее - ПС).

Известен также гироскоп, содержащий основание с опорами для концов оси, и размещенный на середине оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собстенного вращения. При вынужденном вращении основания на противостоящие опоры со стороны ротора действует перпендикулярно к оси противоположно направленная пара гироскопических сил (см. «Физический энциклопедический словарь» под ред. А.М. Прохорова, М.: Советская энциклопедия, 1984 г., стр.126/3) (далее - Словарь).

Недостатками указанных гироскопов является то, что действующая со стороны ротора на противостоящие опоры пара гироскопических сил оказывает давление на опоры оси и основание гироскопа в противоположных направлениях, что уменьшает надежность его функционирования, особенно при применении массивных роторов (см., Словарь, стр.126-127).

Предлагаемое изобретение позволяет получить технический результат, заключающийся в устранении воздействия пары гироскопических сил на ось и основание гироскопического устройства путем их уравновешивания.

Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами содержит основание с опорой для оси гироскопического устройства и размещенный на оси серединный ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения, при вынужденном вращении основания на опору со стороны ротора действует перпендикулярно к оси гироскопическая сила. Согласно изобретению в опоре, выполненной в виде стойки, закреплен один конец оси гироскопического устройства с образованием кронштейна. В устройство дополнительно введен внешний ротор. Роторы закреплены на соответствующих коаксиально расположенных относительно друг друга полых осях в виде соосных цилиндров - внутренней и наружной. Указанная внутренняя ось размещена на оси гироскопического устройства, что обеспечивает в совокупности возможность вращения роторов в противоположных направлениях относительно друг друга. Концы внутренней оси выступают с обоих сторон за пределы наружной оси и на каждом из этих концов внутренней оси соосно закреплен один из двух маховиков внешнего ротора, имеющих равные по величине моменты инерции относительно своей оси и образующих вместе с внутренней осью единую механическую систему, центр масс которой расположен на линии оси гироскопического устройства на равном расстоянии от обоих маховиков внешнего ротора между ними. Центры масс серединного ротора и внешнего ротора совмещены в одной точке. Серединный ротор закреплен на своей наружной оси и размещен между маховиками внешнего ротора. Совмещенные центры масс обоих роторов в совокупности являются центром масс гироскопического устройства. Опора гироскопического устройства выполнена с изгибом, обеспечивающим возможность размещения на одной прямой линии центра масс гироскопического устройства подшипников осей роторов и центральной точки соединения опоры с основанием гироскопического устройства. При этом действующие со стороны каждого из роторов равные по абсолютной величине гироскопические силы совпадают по направлению с этой прямой линией, а их векторы со стороны каждого из роторов обращены относительно друг друга в противоположные стороны.

Как вариант устройства, роторы гироскопического устройства выполнены в виде воздушных турбинок, приводимых во вращение струями воздуха, воздействующими на лопатки роторов, закрепленных на их утолщенных ободах.

Как вариант устройства, каждый из роторов сделан в виде ротора быстроходного электромотора.

На приведенном чертеже дан вид гироскопического устройства с уравновешенными гироскопическими силами в разрезе фронтальной плоскостью по линии О-О оси гироскопического устройства с показом вращения ω₁ и ω₂ роторов, а также возможного вынужденного вращения ω основания вокруг линии М-М.

Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами содержит основание 1 с опорой 2 для оси 3 гироскопического устройства и размещенный на оси серединный ротор 5, обладающий способностью сохранять направление линии О-О оси собственного вращения. При вынужденном вращении основания 1 на опору 2 со стороны ротора действует перпендикулярно к оси 3 гироскопическая сила. В опоре, выполненной в виде стойки, закреплен один конец оси 3 гироскопического устройства с образованием кронштейна. В опоре, выполненной в виде стойки, закреплен один конец оси 3 гироскопического устройства с образованием кронштейна. В гироскопическое устройство дополнительно введен внешний ротор 4. Роторы 4 и 5 закреплены на соответствующих коаксиально расположенных относительно друг друга полых осях в виде соосных цилиндров - внутренней 6 и наружной 7. В зазоре между полыми осями находятся подшипники 9 и 8. Внутренняя ось 6 размещена на оси 3 гироскопического устройства с применением подшипника 9, что обеспечивает возможность вращения ω₁ и ω₂ роторов 4 и 5 в противоположных направлениях относительно друг друга. Концы внутренней оси 6 выступают с обоих сторон за пределы наружной оси 7 и на каждом из этих концов внутренней оси закреплен один из двух маховиков А внешнего ротора 4, имеющих равные по величине моменты инерции относительно своей оси. Маховики А внешнего ротора 4 вместе с внутренней осью 6 образуют единую механическую систему, центр масс 10 которой расположен на линии О-О оси гироскопического устройства на равном расстоянии от обоих маховиков внешнего ротора между ними. Центр масс внешнего ротора 4 совмещен в одной точке с центром массы серединного ротора 5, который закреплен на своей наружной оси 7 и размещен между маховиками А внешнего ротора 4. Совмещенные в одной точке центры масс обоих роторов 4 и 5 в совокупности являются центром 10 гироскопического устройства. Опора 2 гироскопического устройства выполнена с изгибом 11, обеспечивающим возможность размещения на одной прямой линии С-С центра масс 10 гироскопического устройства подшипников 8 и 9 осей 6 и 7 роторов и центральной точки 12 соединения опоры 2 с основанием 1 гироскопического устройства. При этом равные по абсолютной величине действующие со стороны каждого из роторов 4 и 5 (А и В) гироскопические силы F_A и F_B совпадают по направлению с этой прямой линией С-С, а их векторы со стороны каждого из роторов обращены относительно друг друга в противоположные стороны и уравновешивают друг друга.

Как вариант устройства, роторы гироскопического устройства выполнены в виде воздушных турбинок, приводимых во вращение струей воздуха, воздействующей на лопатки 13 роторов, закрепленных на их утолщенных ободах 14.

Как вариант устройства, каждый из роторов гироскопического устройства сделан в виде ротора быстроходного электромотора.

Определяющим условием функционирования гироскопического устройства является вращение ω₁ и ω₂ роторов 4, 5 на оси 3 гироскопического устройства с возможным вынужденным вращением ω основания 1 вокруг линии M-M. При этом не имеет значения какой из вариантов устройства привода роторов применен согласно пунктам 2 и 3 формулы изобретения.

При вынужденном вращении ω основания 1 вокруг линии M-M, не совпадающей с направлением линии оси О-О гироскопического устройства, со стороны вращающихся роторов 4 и 5 (А и В) будут действовать соответствующие гироскопические силы F_A и

F_B, которые согласно известному свойству гироскопа стремятся кратчайшим путем установить оси 6 и 7 роторов параллельно линии оси M-M вынужденного вращения, причем так, чтобы и вращение ω₁ и ω₂ каждого из этих роторов, и вынужденное вращение ω основания 1 гироскопического устройства были видны происходящими в одну сторону. При этом здесь рассматривается только действие сил без фактического перемещения упомянутых выше осей роторов, которые удерживаются от такого перемещения подшипниками 9 и 8 и неподвижной осью 3 гироскопического устройства в виде кронштейна, которая консольно прикреплена к опоре 2. Известно, что центр масс любой механической системы, в том числе и ротора, проявляется как материальная точка, в которой сосредоточена масса всей системы и на которую действуют все силы, приложенные к системе (см. ПС, стр.585). Следовательно, и в предложенном гироскопическом устройстве действующая со стороны имеющего два маховика А внешнего ротора 4 гироскопическая сила F_A действует на центр массы 10 этого ротора как равнодействующая от сил со стороны каждого из маховиков.

Оба ротора гироскопического устройства, и внешнего 4, и среднего 5, имеют одинаковые массы, которые совмещены в едином центре масс 10 гироскопического устройства. При одинаковой частоте вращения в противоположных направлениях роторы имеют равные по абсолютному значению моменты инерции относительно общей линии оси O-O их вращения. При этом действующие со стороны роторов гироскопические силы F_A и F_B будут направлены в противоположные стороны при равенстве их абсолютных значений. В связи с расположением центра масс 10 роторов 4 и 5 и гироскопического устройства в целом подшипников 8 и 9 осей роторов и центральной точки 12 соединения опоры 2 с основанием 1 на одной прямой линии С-С здесь отсутствуют плечи для действующих со стороны роторов гироскопических сил, что исключает возможность создания пар сил. При этом направленные в противоположные стороны гироскопические силы со стороны разных роторов при их абсолютном равенстве уравновешивают друг друга. На приведенном чертеже показано такое взаимодействие элементов гироскопического устройства.

Приведенное выше функционирование гироскопического устройства обеспечивает достижение заданного технического результата.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть использовано на средствах передвижения, в частности, содержащих гироскопы с массивными роторами. Уравновешивание гироскопических сил F_A и F_B, действующих со стороны двух роторов 4(А) и 5(В) при вынужденном вращении основания 1 устройства вокруг линии оси М-М, не совпадающей по направлению с линией оси O-O гироскопического устройства, осуществляют путем сложения этих двух сил, равных по абсолютному значению и направленных из одной точки 10 вдоль единой прямой С-С в противоположные стороны. Роторы размещены на оси 3 гироскопического устройства, выполненной в виде консольно закрепленного на опоре 2 кронштейна, закреплены на своих коаксиальных осях 6, 7 в форме соосных цилиндров, имеют равные по величине моменты инерции и их центры масс 10 расположены в одной точке на линии оси O-O. Роторы вращаются в противоположные стороны и ω₁ и ω₂ Центры масс роторов, подшипники 8, 9 их осей и центральная точка 12 соединения опоры 2 роторов с основанием 1 размещены на одной прямой линии С-С, вдоль которой со стороны соответствующих роторов направлены в противоположные стороны гироскопические силы. В устройстве отсутствуют плечи для действующих сил, что исключает возможность возникновения пар сил. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами, содержащее основание с опорой для оси гироскопического устройства и размещенный на оси серединный ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения, при вынужденном вращении основания на опору со стороны ротора действует перпендикулярно к оси гироскопическая сила, отличающееся тем, что в опоре, выполненной в виде стойки, закреплен один конец оси гироскопического устройства с образованием кронштейна, в устройство дополнительно введен внешний ротор, при этом роторы закреплены на соответствующих коаксиально расположенных относительно друг друга полых осях в виде соосных цилиндров - внутренней и наружной, указанная внутренняя ось размешена на оси гироскопического устройства, что обеспечивает в совокупности возможность вращения роторов в противоположных направлениях относительно друг друга, концы внутренней оси выступают с обоих сторон за пределы наружной оси и на каждом из этих концов внутренней оси соосно закреплен один из двух маховиков внешнего ротора, имеющих равные по величине моменты инерции относительно своей оси и образующих вместе с внутренней осью единую механическую систему, центр масс которой расположен на линии оси гироскопического устройства на равном расстоянии от обоих маховиков внешнего ротора между ними и совмещен в одной точке с центром массы серединного ротора, который закреплен на своей наружной оси и размещен между маховиками внешнего ротора, совмещенные центры масс обоих роторов в совокупности являются центром масс гироскопического устройства, опора гироскопического устройства выполнена с изгибом, обеспечивающим возможность размещения на одной прямой линии центра масс гироскопического устройства, подшипников осей роторов и центральной точки соединения опоры с основанием гироскопического устройства, при этом действующие со стороны каждого из роторов равные по абсолютной величине гироскопические силы совпадают по направлению с этой прямой линией, а их векторы со стороны каждого из роторов обращены относительно друг друга в противоположные стороны.

2. Гироскопическое устройство по п.1, отличающееся тем, что его роторы выполнены в виде воздушных турбинок, приводимых в движение струями воздуха, воздействующими на лопатки роторов, закрепленных на их утолщенных ободах.

3. Гироскопическое устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из его роторов сделан в виде ротора быстроходного электромотора.