Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами

Изобретение относится к гироскопическим устройствам, в основном оснащенным массивными роторами, и может быть применено на средствах передвижения. В устройстве используются два ротора - парный 1 и одиночный 2 с одинаковыми по абсолютному значению моментами инерции, центры масс которых совмещены в одной точке 3 на середине линии оси O-O роторов. Два маховика парного ротора закреплены на основной оси 4, а маховик одиночного ротора - на полой оси 6, размещенной коаксиально с основной осью. Основная ось имеет возможность свободного вращения на опорах 5, а полая ось - на подшипниках 11 на основной оси в противоположных направлениях относительно друг друга и основания 7 гироскопического устройства. Привод роторов осуществляет их вращение с одинаковой частотой в противоположных направлениях относительно друг друга. При вынужденном вращении основания вокруг линии оси М-М со стороны разных роторов на опоры действуют перпендикулярно к линии оси O-O роторов уравновешивающие друг друга две пары гироскопических сил F₁-F₁ и F₂-F₂. Техническим результатом является повышение надежности функционирования гироскопического устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к гироскопическим устройствам, может быть применено преимущественно на средствах передвижения, содержащих устройства с применением гироскопов, в том числе оснащенных массивными роторами.

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, изд. “Советская энциклопедия”, М., 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 собственного 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”, стр.126/3) (далее - Словарь).

Недостатками указанных гироскопов является то, что действующая со стороны ротора пара гироскопических сил воздействует на опоры оси и основание гироскопа в целом в противоположных направлениях, что усложняет устройство гироскопа, уменьшает надежность его функционирования при применении массивных роторов и приводит к необходимости учитывать характер действия этих противоположно направленных сил (см. Словарь, стр.126/3, 127/1).

Предлагаемое изобретение позволяет получить технический результат, заключающийся в уравновешивании действующих на опоры со стороны двух роторов пар гироскопических сил, что упрощает соединение оси роторов с опорами, повышает надежность функционирования гироскопического устройства, особенно при применении массивных роторов.

Указанный технический результат достигается тем, что гироскопическое устройство содержит основание с опорами для концов оси и закрепленный на оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения. При вынужденном вращении основания на противостоящие опоры со стороны ротора действует перпендикулярно к оси пара гироскопических сил. Согласно изобретению применяется два ротора - парный и одиночный с одинаковыми по абсолютному значению моментами инерции, центры масс которых совмещены в одной точке на середине линии оси роторов. Парный ротор состоит из двух маховиков с одинаковыми по значению моментами инерции, закрепленных на основной оси на равных расстояниях от противостоящих опор, с которыми основная ось соединена с возможностью свободного вращения. Между маховиками парного ротора имеется свободное пространство, в котором находится маховик одиночного ротора, закрепленный на полой оси, размещенной коаксиально с основной осью с возможностью свободного вращения на ней. Привод роторов осуществляет их вращение с одинаковой частотой в противоположных направлениях относительно друг друга и основания гироскопического устройства, что обеспечивает возможность воздействия на опоры уравновешивающих друг друга пар гироскопических сил со стороны разных роторов. Опоры оси закреплены на основании гироскопического устройства.

Привод роторов, как вариант устройства, выполнен в виде закрепленного на конце ведущего вала ведущего конического зубчатого колеса, входящего с диаметрально противоположных сторон в зацеплении с коническими зубчатыми венцами на обращенных друг к другу боковых поверхностях одиночного ротора и одного из маховиков парного ротора. Линия оси ведущего вала расположена перпендикулярно к линии оси роторов.

Привод роторов, как вариант устройства, выполнен в виде воздушных турбинок, лопатки которых закреплены на утолщенных ободах роторов.

Привод каждого ротора, как вариант устройства, выполнен в виде совмещенного с ним ротора быстроходного электромотора.

В целях вращения роторов с одинаковой частотой, при выполнении их по второму и третьему вариантам устройства, они могут быть соединены промежуточным коническим зубчатым колесом с одинаковым относительно каждого ротора передаточным отношением.

На приведенном чертеже дан общий вид гироскопического устройства с изображением одиночного ротора и его полой оси в разрезе фронтальной плоскостью по линии оси 0-0 роторов, и с показом направления вращения роторов ω₁ и ω₂, вала привода ω₈ и вынужденного вращения ω основания гироскопического устройства, а также направления векторов F₁-F₁ и F₂-F₂ действующих на опоры со стороны роторов 1 и 2 пар гироскопических сил.

Гироскопическое устройство содержит основание с опорами для концов оси и закрепленный на оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения. При вынужденном вращении ω основания на противостоящие опоры со стороны ротора действует перпендикулярно к оси пара гироскопических сил.

Согласно изобретению применяется два ротора - парный 1 и одиночный 2 с одинаковыми по абсолютному значению моментами инерции, центры масс которых совмещены в одной точке 3 на середине линии 0-0 роторов. Парный ротор состоит из двух маховиков 1 с одинаковыми по значению моментами инерции, закрепленных на основной оси 4 на равных расстояниях от противостоящих опор 5, с которыми основная ось 4 соединена с возможностью свободного вращения. Между маховиками 1 парного ротора имеется свободное пространство, в котором находится маховик одиночного ротора 2, закрепленный на полой оси 6, размещенной коаксиально с основной осью 4 с возможностью свободного вращения на ней. Привод роторов осуществляет их вращение ω₁ и ω₂ с одинаковой частотой в противоположных направлениях относительно друг друга и основания 7 гироскопического устройства, что обеспечивает возможность воздействия на опоры 5 уравновешивающих друг друга пар гироскопических сил F₁-F₁ и F₂-F₂ со стороны разных роторов 1 и 2. Опоры 5 оси закреплены на основании 7 гироскопического устройства.

Привод роторов, как вариант устройства, выполнен в виде закрепленного на конце ведущего вала 8 ведущего конического зубчатого колеса 9, входящего с диаметрально противоположных сторон в зацепление с коническими зубчатыми венцами 10 на обращенных друг к другу боковых поверхностях одиночного ротора 2 и одного из маховиков 1 парного ротора. Линия оси 0₁-0₁ ведущего вала 8 расположена перпендикулярно к линии оси 0-0 роторов.

Привод роторов, как вариант устройства, выполнен в виде воздушных турбинок, лопатки которых закреплены на утолщенных ободах маховиков роторов.

Привод каждого ротора, как вариант устройства, выполнен в виде совмещенного с ним ротора быстроходного электромотора.

В целях обеспечения вращения роторов 1 и 2 с одинаковой частотой, при выполнении их приводов по указанным выше второму и третьему вариантам устройства, они могут быть соединены промежуточным коническим зубчатым колесом с одинаковым относительно каждого ротора передаточным отношением.

Гироскопическое устройство работает следующим образом.

Вращающийся ведущий вал 8 привода приводит во вращение соосно закрепленное на нем коническое ведущее колесо 9, с которым с диаметрально противоположных его сторон находятся в постоянном зацеплении зубчатые венцы 10 роторов, что обеспечивает вращение ω₁ и ω₂ соответствующих роторов 1 и 2 в противоположных направлениях относительно друг друга и основания 7 гироскопического устройства. Если при этом основанию 7 будет придано вынужденное вращение ω вокруг линии оси М-М, не совпадающей по направлению с линией оси 0-0 роторов, то со стороны каждого из роторов будет оказываться на опоры 5 воздействие соответствующих пар гироскопических сил F₁-F₁ и F₂-F₂. Поскольку роторы совершают вращение в противоположных направлениях, то пары сил от разных роторов будут также направлены в противоположные стороны. Роторы 1 и 2 имеют одинаковые по значению моменты инерции, а их центры масс совмещены в одной точке 3 на середине линии оси 0-0 роторов, в связи с этим значения пар гироскопических сил от разных роторов будут одинаковы по абсолютному значению, что приведет к полному их уравновешиванию и устранению их воздействия на опоры 5.

Полая ось 6 одиночного ротора 2 имеет определенную длину и ее концы подвижно соединены с основной осью 4 при помощи опорных подшипников 11. В связи с этим обеспечивается надежная передача через подшипники 11 гироскопических сил от одиночного ротора 2 на основную ось 4 и через нее на опоры 5 оси, где пара гироскопических сил F₁-F₁ от парного ротора 1 уравновешивается с парой гироскопических сил F₂-F₂ от одиночного ротора 2.

Два маховика 1 парного ротора закреплены на основной оси 4 и в связи с этим они в совокупности являются механической системой, центр масс 3 которой проявляется как материальная точка, в которой сосредоточена масса всей системы и на которую действуют все силы, приложенные к системе (см. ПС, стр.585). Закрепление одиночного ротора 2 на полой оси 6 обеспечивает совмещение центра масс этого ротора с центром масс 3 парного ротора 1, что обеспечивает абсолютное равенство значений пар гироскопических сил, создаваемых парным и одиночным роторами, при противоположной направленности векторов сил этих пар.

Определяющим условием функционирования гироскопического устройства является вращение роторов 1 и 2 в противоположных направлениях при равенстве абсолютных значений их моментов инерции. По этой же причине не имеет значения, какой из вариантов привода роторов, указанных в пунктах 2, 3 и 4 формулы изобретения, применяется.

Приведенное выше функционирование гироскопического устройства обеспечивает достижение заданного технического результата по уравновешиванию гироскопических сил.

1. Гироскопическое устройство с уравновешенными гироскопическими силами, содержащее основание с опорами для концов оси и закрепленный на оси ротор, обладающий способностью сохранять направление линии оси собственного вращения, при вынужденном вращении основания на противостоящие опоры со стороны ротора действует перпендикулярно к оси пара гироскопических сил, отличающееся тем, что применяется два ротора - парный и одиночный с одинаковыми по абсолютному значению моментами инерции, центры масс которых совмещены в одной точке на середине линии оси роторов, парный ротор состоит из двух маховиков с одинаковыми по значению моментами инерции, закрепленных на основной оси на равных расстояниях от противостоящих опор, с которыми основная ось соединена с возможностью свободного вращения, между маховиками парного ротора имеется свободное пространство, в котором находится маховик одиночного ротора, закрепленный на полой оси, размещенной коаксиально с основной осью с возможностью свободного вращения на ней, привод роторов осуществляет их вращение с одинаковой частотой в противоположных направлениях, что обеспечивает возможность воздействия на опоры уравновешивающих друг друга пар гироскопических сил со стороны разных роторов.

2. Гироскопическое устройство по п.1, отличающееся тем, что, как вариант устройства, привод роторов выполнен в виде закрепленного на конце ведущего вала ведущего конического зубчатого колеса, входящего с диаметрально противоположных сторон в зацепление с коническими зубчатыми венцами на обращенных друг к другу боковых поверхностях одиночного ротора и одного из маховиков парного ротора, линия оси ведущего вала направлена перпендикулярно к линии оси роторов.

3. Гироскопическое устройство по п.1, отличающееся тем, что, как вариант устройства, привод роторов выполнен в виде воздушных турбинок, лопатки которых закреплены на утолщенных ободах маховиков роторов.

4. Гироскопическое устройство по п.1, отличающееся тем, что, как вариант устройства, привод каждого ротора выполнен в виде совмещенного с ним ротора быстроходного электромотора.