СПОСОБ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ СИЛ И ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01C19/06 

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

Известен способ направления действия гироскопических сил со стороны ротора гироскопа, при котором создают пару гироскопических сил, что является характерной особенностью известных гироскопов (см. Физический энциклопедический словарь под ред. A.M.Прохорова, М.: "Советская энциклопедия", 1984 г., стр.126-127, далее Словарь).

Действие перпендикулярно к оси ротора пары гироскопических сил в известных гироскопических устройствах является их недостатком, поскольку требует принятия специальных мер по противодействию этим силам и приводит к необходимости учитывать это при соответствующих инженерных расчетах (см. Словарь, стр.126/3-127/1).

Известен также способ уравновешивания действия сил, при котором создают силы, равные по абсолютному значению и направленные из одной точки вдоль единой прямой в противоположные стороны (см. Словарь, стр.717-718).

Этот способ рассматривает действие сил в общем виде без учета особенностей создания и возможности уравновешивания сил в гироскопических устройствах.

Известен гироскоп, содержащий ротор, ось которого может изменять свое направление в пространстве, что обеспечивается применением карданного подвеса из последовательно размещенных кожухов в виде колец или рамок, опирающихся на цапфы осей и подшипники (см. "Политехнический словарь" под ред А.Ю.Ишлинского, M.: "Советская энциклопедия", - 1980 г., 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 собственного вращения. При вынужденном вращении основания на противостоящие опоры со стороны ротора действует перпендикулярно к оси противоположно направленная пара гироскопических сил (см. Словарь, стр.126/3).

Недостатком указанных гироскопов является то, что действующая со стороны ротора пара гироскопических сил оказывает давление на опоры оси и основание гироскопа в противоположных направлениях, что усложняет устройство гироскопа, уменьшает надежность его функционирования, особенно при применении массивных роторов, и приводит к необходимости учитывать характер действия этих сил при соответствующих инженерных расчетах (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 без увеличения при этом габаритных размеров и занимаемых объемов указанных выше известных гироскопов.

Указанный технический результат по способу уравновешивания гироскопических сил достигается тем, что создают силы, равные по абсолютному значению, и направляют их из одной точки вдоль единой прямой в противоположные стороны. Согласно изобретению при этом применяют два соосных коаксиально размещенных ротора гироскопического устройства с одинаковыми по значению моментами инерции относительно их осей вращения, совмещают центры масс обоих роторов в одной точке на единой линии их осей, вращение этих роторов производят в противоположных направлениях и при вынужденном вращении основания гироскопического устройства вокруг линии оси, не совпадающей с единой линией оси роторов, создают равные по абсолютному значению гироскопические силы, направленные в противоположные стороны. При этом обеспечивают возможность приведения упомянутых гироскопических сил от обоих роторов в центре приведения, совмещенном с единым центром масс этих роторов, и производят уравновешивание противоположно направленных, равных по абсолютному значению гироскопических сил от обоих роторов, которые направляют от центра приведения вдоль единой прямой линии, проходящей через совмещенный в одной точке центр масс обоих роторов, опорные подшипники этих роторов и единую центральную точку соединения опоры роторов с основанием гироскопического устройства. Массивные ободья обоих роторов и совмещенные центры их масс располагают в одной плоскости, перпендикулярной общей линии их осей и совмещенной с упомянутой единой прямой линией.

Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами содержит основание с опорой для оси гироскопического устройства и размешенный на оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения. При вынужденном вращении основания вокруг линии оси, не совпадающей по направлению с линией оси гироскопического устройства, на опору со стороны ротора действует перпендикулярно к оси гироскопического устройства гироскопическая сила. Согласно изобретению на опоре, выполненной в виде стойки, закреплен один конец полой оси гироскопического устройства с образованием параллельного основанию кронштейна, на котором размещены на своих коаксиально расположенных осях два находящихся в составе гироскопического устройства соосных ротора с противоположными направлениями вращения - внутренний и внешний, с одинаковыми по значению моментами инерции относительно своих осей и оси гироскопического устройства. Внутренний ротор закреплен на оси, выполненной в виде стержня, размещенного на подшипнике внутри полой оси гироскопического устройства с возможностью свободного вращения. Внешний ротор закреплен на своей внешней трубчатой оси, размешенной на подшипнике с возможностью свободного вращения на внешней стороне полой оси гироскопического устройства в противоположном направлении по отношению с внутренним ротором. Центры масс внутреннего и внешнего роторов совмещены в одной точке, которая является центром масс гироскопического устройства, расположенным на линии оси гироскопического устройства, совпадающей с линией оси полой оси гироскопического устройства. Опора гироскопического устройства выполнена с изгибом в нижней своей части, обеспечивающим возможность размещения на одной прямой линии центра масс гироскопического устройства, подшипников осей роторов и центральной точки соединения опоры роторов с основанием гироскопического устройства. При этом действующие со стороны каждого из роторов равные по абсолютному значению гироскопические силы совпадают по направлению с этой прямой линией, а их векторы со стороны каждого из роторов обращены относительно друг друга в противоположных направлениях.

Оба ротора гироскопического устройства снабжены выступающими с боковых сторон роторов массивными ободьями, один из которых на любом из роторов выполнен из двух концентрических колец, в круговом пространстве между которыми размещен с зазорами с возможностью независимого свободного вращения роторов относительно друг друга в противоположных направлениях одиночный массивный обод другого ротора. При этом центры масс обода, выполненного из двух концентрических массивных колец, и одиночного обода совмещены в одной точке на линии оси гироскопического устройства и обеспечивают возможность создания одинаковых по абсолютному значению моментов инерции относительно своих осей у обоих роторов.

На приведенном чертеже дан общий вид гироскопического устройства с уравновешенными гироскопическими силами в разрезе фронтальной плоскостью по линии О-О его оси.

Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами содержит основание 4 с опорой 8 для оси 9 гироскопического устройства и размещенный на оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси О-О собственного вращения. При вынужденном вращении основания вокруг линии оси М-М, не совпадающей по направлению с линией оси О-О гироскопического устройства, на опору 8 со стороны ротора действует перпендикулярно к оси 9 гироскопического устройства гироскопическая сила. На опоре 8, выполненной в виде стойки, закреплен один конец полой оси 9 гироскопического устройства с образованием параллельного основанию 4 кронштейна, на котором размещены на своих коаксиально расположенных осях 10 и 11 два входящих в состав гироскопического устройства соосных ротора с противоположными направлениями вращения - внутренний 2_А и внешний 3_В с одинаковыми по значению моментами инерции относительно своих осей 10 и 11 и оси 9 гироскопического устройства. Внутренний ротор 2_А закреплен на оси 10, выполненной в виде стержня, размещенного на подшипнике 5 внутри полой оси 9 гироскопического устройства с возможностью свободного вращения. Внешний ротор 3_В закреплен на своей внешней трубчатой оси 11, размещенной на подшипнике 6 с возможностью свободного вращения на внешней стороне полой оси 9 гироскопического устройства в противоположном направлении по отношению с внутренним ротором 2_А. Центры масс внутреннего и внешнего роторов совмещены в одной точке 1, которая является центром масс гироскопического устройства, расположенным на линии оси О-О гироскопического устройства, совпадающей с линией оси полой оси 9 гироскопического устройства. Опора 8 гироскопического устройства выполнена с изгибом 12 в нижней своей части, обеспечивающим возможность размещения на одной прямой линии С-С центра масс 1 гироскопического устройства, подшипников 5 и 6 осей роторов и центральной точки 7 соединения опоры 8 роторов с основанием 4 гироскопического устройства. При этом действующие со стороны каждого из роторов равные по абсолютному значению 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 противоположных направлениях.

Роторы 2_А и 3_В гироскопического устройства снабжены выступающими с боковых сторон роторов массивными ободьями 13 и 14, один из которых на любом из роторов выполнен из двух концентрических массивных колец 14, в круговом пространстве между которыми размещен с зазорами одиночный массивный обод 13 другого ротора с возможностью независимого свободного вращения роторов относительно друг друга в противоположных направлениях. При этом центры масс обода, выполненного из двух концентрических массивных колец 14 и одиночного ротора 13, совмещены в одной точке 1 на линии оси О-О гироскопического устройства и обеспечивают возможность создания одинаковых по значению моментов инерции относительно своих осей у обоих роторов.

Способ уравновешивания гироскопических сил показан ниже на примере функционирования гироскопического устройства по его осуществлению.

Вращающиеся в противоположных направлениях ω_A и ω_B соосные роторы 2_A и 3_B гироскопического устройства создают гироскопические силы F_A и F_B при вынужденном вращении ω основания 4 и гироскопического устройства в целом вокруг линии оси М-M, не совпадающей по направлению с линией оси О-О роторов. Согласно известному свойству гироскопов гироскопические силы стремятся кратчайшим путем установить оси 10 и 11 роторов 2_A и 3_A параллельно линии оси М-М вынужденного вращения роторов. Известно, что гироскопическая сила направлена перпендикулярно к оси вращения ротора и воздействует на ось через опору ротора, которой в данном случае является подшипник 5 или 6 у каждого из роторов. Роторы имеют одинаковые по значению моменты инерции относительно их осей и при вращении с одинаковой частотой в противоположных направлениях создают равные по абсолютному значению противоположно направленные гироскопические силы, уравновешивающие друг друга. При этом гироскопические силы направлены из единого для обоих роторов центра 1 приведения воздействующих на роторы сил, совмещенного с единым центром их масс 1, и векторы этих сил совмещены с указанной выше прямой линией С-С, проходящей через упомянутый центр приведения сил. В данном случае отсутствуют плечи для приложения действующих сил, что исключает возможность создания пар гироскопических сил и обеспечивает условия для действия одиночных гироскопических сил из одной точки 1 вдоль единой прямой С-С в противоположных направлениях с возможностью их уравновешивания.

Небольшие размеры гироскопического устройства при сравнении их с размерами известных однороторных гироскопов обусловлены применением только одной опоры для оси, а также тем, что массивные ободья обоих роторов и совмещенные центры 1 их масс располагаются в одной плоскости, перпендикулярной общей линии их осей О-О, и совмещены с упомянутой единой прямой линией С-С. При этом уменьшаются габаритные размеры гироскопического устройства в направлении линии оси и занимаемый им объем.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам (ГУ) и может быть использовано преимущественно на средствах передвижения. На опоре 8 закреплен один конец полой оси 9 в виде кронштейна, на котором размешены на своих коаксиальных осях 10 и 11 два соосных ротора - внутренний 2_А и внешний 2_В - с одинаковыми по значению моментами инерции относительно своих осей. Внутренний ротор выполнен в виде стержня, размещенного на подшипнике 5 внутри полой оси. Внешний ротор закреплен на внешней трубчатой оси 11, размещенной на подшипнике 6 на внешней поверхности полой оси. Центры масс роторов и ГУ, а также центр приведения гироскопических сил совмещены в одной точке 1 на линии оси О-О. Опора 8 имеет изгиб 12, позволяющий разместить на одной прямой линии С-С центр масс ГУ, подшипники роторов и точку 7 соединения опоры с основанием 4. В ГУ отсутствуют плечи для приложения гироскопических сил, что позволяет уравновесить две противоположные по направлению одиночные гироскопические силы F_А и F_В, действующие со стороны соответствующих роторов - внутреннего и внешнего. Изобретение позволяет повысить надежность функционирования ГУ, а также уменьшить его габаритные размеры и занимаемый объем в связи с наличием только одной опоры для оси ГУ. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ уравновешивания гироскопических сил, при котором создают силы, равные по абсолютному значению и направляют их из одной точки вдоль единой прямой в противоположные стороны, отличающийся тем, что применяют два соосных коаксиально размешенных ротора гироскопического устройства с одинаковыми по значению моментами инерции относительно их осей вращения, совмещают центры масс обоих роторов в одной точке на единой линии их осей, вращение этих роторов производят в противоположных направлениях и при вынужденном вращении основания гироскопического устройства вокруг линии оси, не совпадающей по направлению с единой линией оси роторов, создают равные по абсолютному значению гироскопические силы, направленные в противоположные стороны, при этом обеспечивают возможность приведения упомянутых гироскопических сил от обоих роторов в центре приведения, совмещенном с единым центром масс этих роторов, и производят уравновешивание противоположно направленных равных по абсолютному значению гироскопических сил от обоих роторов, которые направляют от центра приведения вдоль единой прямой линии, проходящей через совмещенный в одной точке центр масс обоих роторов, опорные подшипники этих роторов и единую центральную точку соединения опоры роторов с основанием гироскопического устройства, массивные ободья обоих роторов и совмещенные центры их масс располагают в одной плоскости, перпендикулярной общей линии их осей и совмещенной с упомянутой единой прямой линии, при этом уменьшают габаритные размеры гироскопического устройства в направлении линии оси и занимаемый им объем.

2. Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами, содержащее основание с опорами для оси гироскопического устройства и размешенный на оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения, при вынужденном вращении основания вокруг линии оси, не совпадающей по направлению с линией оси гироскопического устройства, на опору со стороны ротора действует перпендикулярно к оси гироскопического устройства гироскопическая сила, отличающееся тем, что на опоре, выполненной в виде стойки, закреплен один конец полой оси гироскопического устройства с образованием параллельного основанию кронштейна, на котором размещены на своих коаксиально расположенных осях два входящих в состав гироскопического устройства соосных ротора с противоположными направлениями вращения - внутренний и внешний, с одинаковыми по значению моментами инерции относительно своих осей и оси гироскопического устройства, внутренний ротор закреплен на оси, выполненной в виде стержня, размещенного на подшипнике внутри полой оси гироскопического устройства с возможностью свободного вращения, внешний ротор закреплен на своей внешней трубчатой оси, размещенной на подшипнике с возможностью свободного вращения на внешней стороне полой оси гироскопического устройства в противоположном направлении по отношению с внутренним ротором, центры масс внутреннего и внешнего роторов совмещены в одной точке, которая является центром масс гироскопического устройства, расположенном на линии оси гироскопического устройства, совпадающей с линией оси полой оси гироскопического устройства, опора гироскопического устройства выполнена с изгибом в нижней своей части, обеспечивающем возможность размещения на одной прямой линии центра масс гироскопического устройства, подшипников осей роторов и центральной точки соединения опоры роторов с основанием гироскопического устройства, при этом действующие со стороны каждого из роторов равные по абсолютному значению гироскопические силы совпадают по направлению с этой прямой линией, а их векторы со стороны каждого из роторов обращены относительно друг друга в противоположных направлениях.

3. Гироскопическое устройство по п.2, отличающееся те, что оба его ротора снабжены выступающими с боковых сторон роторов массивными ободьями, один из которых на любом из роторов выполнен из двух концентрических массивных колец, в круговом пространстве между которыми размещен с зазорами одиночный массивный обод другого ротора с возможностью независимого свободного вращения роторов относительно друг друга в противоположных направлениях, при этом центры масс обода, выполненного из двух концентрических массивных колец, и одиночного обода совмещены в одной точке на линии оси гироскопического устройства и обеспечивают возможность создания одинаковых по значению моментов инерции относительно своих осей у обоих роторов.