Устройство для гашения изгибных колебаний вращающегося вала

Группа изобретений относится к машиностроению. Демпфирующее устройство (1) содержит: поддерживающий корпус (6), элемент (11) с кольцеобразным отверстием (12). Упругое средство расположено между поддерживающим корпусом и элементом. Элемент выполнен с возможностью перемещения относительно поддерживающего корпуса и радиально относительно оси (А) между первым и вторым положением при изгибе вала относительно оси. Элемент устанавливается в первое положение при пересечении отверстия свободно валом. Элемент устанавливается во второе положение при взаимодействии с валом. Скорость вращения вала во втором диапазоне содержит по меньшей мере одну критическую скорость вала. Стержень выполнен с возможностью перемещения совместно с элементом радиально относительно оси. Плита выполнена за одно целое со стержнем и поперек него. Упругое средство расположено между стержнем и поддерживающим корпусом. Упругое средство содержит первую пружину и вторую пружину. Первая пружина расположена между первым участком поддерживающего корпуса и выступом элемента. Вторая пружина расположена между плитой и вторым участком поддерживающего корпуса. Привод содержит вал, работающий во втором диапазоне скоростей вращения. Воздушное судно содержит привод. Достигается улучшение гашения изгибных колебаний вала. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройству для гашения изгибных колебаний вращающегося вала.

Как известно из механики колебаний, валы, вращающиеся вокруг оси, подвергаются изгибным колебаниям, т.е. колеблются радиально относительно оси вращения вала и колеблются больше всего при вращении с критической скоростью.

Для возможности функционирования валов исправно даже выше критических скоростей используются демпфирующие устройства для поглощения энергии изгиба вала, когда он достигает критической скорости.

Демпфирующие устройства также предназначены для поддержания допустимого радиального смещения вала и, следовательно, для предотвращения повреждения и для стабилизации изгибных колебаний вала.

Более конкретно, известны демпфирующие устройства, которые по существу содержат закрепленный поддерживающий корпус; и кольцо, образующее кольцеобразное отверстие, через которое оно установлено на валу.

При вращении вне диапазона критических скоростей изгибных колебаний вал свободно входит через отверстие.

Другими словами, вал не контактирует с кольцом.

Напротив, изгибное колебание вала с критической скоростью приводит вал в контакт с кольцом.

Контакт между валом и кольцом вначале меняет собственную частоту и общую устойчивость вала и в итоге приводит к рассеиванию тепла, вызываемого трением скольжения между валом и кольцом демпфирующего устройства; при этом трение скольжения препятствует вращению и изгибному колебанию и меняет динамику вала.

В результате двух вышеупомянутых явлений демпфирующее устройство препятствует любому увеличению изгибного колебания и поэтому поглощает энергию, связанную со смещением вала.

В промышленности существует необходимость в гашении изгибных колебаний вала с критическими скоростями вращения вала, тогда как в то же время уменьшается трение между валом и демпфирующим устройством со скоростями вращения, которые отличаются от критических скоростей вращения вала.

Также существует необходимость в уменьшении времени действия демпфирующего устройства.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства для гашения изгибных колебаний вала, которое достигает по меньшей мере одну из вышеуказанных задач эффективным низкозатратным способом.

Согласно настоящему изобретению обеспечено демпфирующее устройство для гашения изгибных колебаний вала, вращающегося вокруг первой оси по п.1.

Предпочтительный неограниченный вариант осуществления настоящего изобретения будет описан посредством примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой вид в перспективе демпфирующего устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 представляет собой вид спереди демпфирующего устройства по фиг.1;

Фиг.3 и 4 представляют собой виды в перспективе с удаленными частями, для упрощения, демпфирующего устройства по фиг.1 и 2;

Фиг.5 представляет собой сечение с удаленными частями, для упрощения, привода, содержащего вал и демпфирующее устройство по фиг.1-4.

Ссылочной позицией 1 на фиг.1 обозначено демпфирующее устройство для гашения изгибных колебаний вала 2, вращающегося вокруг оси А.

Более конкретно, изгибное колебание происходит на плоскости, радиальной относительно оси А, т.е. на плоскости, ортогональной относительно оси А.

Устройство 1 предназначено для размещения в приводе 3, показанном на фиг.5, иллюстрирующей только вал 2, устройство 1 и два подшипника 4, поддерживающие вал 2 для вращения вокруг оси А.

Привод 3 предпочтительно образует часть воздушного судна, в частности вертолета или конвертоплана.

Устройство 1 по существу содержит:

поддерживающий корпус 6, закрепленный на подшипниках 4 способом, не показанным на чертежах; и

кольцо 11, которое образует отверстие 12, через которое оно установлено на валу 2, и выполненное с возможностью перемещения радиально относительно оси А между первым и вторым положением.

Более конкретно, отверстие 12 является круглым и ограниченным профилем 13.

Вал 2 работает в двух диапазонах в зависимости от скорости вращения и, следовательно, величины изгибных колебаний вала 2.

В первом рабочем диапазоне скорость вращения вала 2 понижается в пределах первого диапазона, не включающего в себя критические скорости вала 2.

В первом диапазоне скоростей вращения вал 2 вращается свободно внутри отверстия 12 и кольцо 11 устанавливается в первое положение.

Другими словами, изгибное колебание вала 2 недостаточно для приведения вала 2 в контакт с профилем 13 отверстия 12.

Во втором рабочем диапазоне скорость вращения вала 2 понижается в пределах второго диапазона, отличающегося от первого и включающего в себя критические скорости вала 2.

Когда вал вращается во втором диапазоне скоростей, внешний профиль вала 2 контактирует с профилем 13 отверстия 12 и перемещает кольцо 11 во второе положение.

Другими словами, величина изгибного колебания является достаточной для приведения внешнего профиля вала 2 в контакт с профилем 13 отверстия 12.

Более конкретно, поддерживающий корпус 6 содержит, в целом:

нижнюю стенку 7, по существу параллельную и разнесенную от оси А;

поперечину 8, выступающую по существу перпендикулярно нижней стенки 7 по направлению к кольцу 11; и

две по существу параллельные стороны 9, выступающие по направлению к кольцу 11 от противоположных краев нижней стенки 7 и по существу перпендикулярные нижней стенке 7.

Поддерживающий корпус 6 также содержит:

трапецеидальное ребро 10 (фиг.3 и 5), расположенное между нижней стенкой 7 и одной стороной поперечины 8; и

добавочное приспособление 17 (фиг.1, 2, 3), выступающее от поперечины 8 на противоположной стороне к ребру 10.

Устройство 1 предпочтительно содержит упругое средство 18, расположенное между поддерживающим корпусом 6 и кольцом 11.

Более конкретно, кольцо 11 по существу содержит:

два, соответственно верхнее и нижнее, полукольца 14, 15, которые пригоняют друг к другу для образования отверстия 12; и

стержень 16, который выступает от полукольца 15, является удлиненным вдоль оси В поперек оси А и в показанном примере расположен вертикально.

Полукольца 14, 15 соединяются с возможностью разъединения друг с другом на соответствующих периферических концах.

Стержень 16 продолжается свободно через добавочное приспособление 17 и ось В является радиальной, т.е. перпендикулярной относительно оси А, когда кольцо 11 находится в первом положении.

Стержень 16 содержит первый конец, пригнанный полностью к полукольцу 15; и второй конец, противоположный первому концу и обращенный к нижней стенке 7 (фиг.4).

Поддерживающий корпус 6 содержит два добавочных приспособления 80 (фиг.4), расположенных между соответствующими сторонами 9 и ребром 10.

Более конкретно, каждое добавочное приспособление 80 содержит:

горизонтальный участок 20, выступающий от соответствующей стороны 9 и образующий первую кольцевую опору с осью, параллельной оси В;

горизонтальный участок 21, соединенный с ребром 10 и образующий вторую кольцевую опору с осью, параллельной оси В; и

вертикальный участок, расположенный между участками 20 и 21.

Как показано на фиг.4, участки 21 расположены между участками 20.

Первые места участков 20 и вторые места участков 21 образуют соответствующие уступы 22, 26.

Полукольцо 15 содержит два выступа 51, выступающие от нижней части полукольца 15 на противоположной стороне к полукольцу 14.

Выступы 51 образуют соответствующие уступы 28 (фиг.4), противоположные соответствующим первым местам, образованным соответствующими участками 20.

Поддерживающий корпус 6 также содержит плиту 30, выполненную за одно целое со стержнем 16 и образующую два круглых уступа 31.

Плита 30 выступает от второго конца стержня 16 и по существу перпендикулярна стержню 16.

Более конкретно, уступы 31 параллельны оси В и вертикально обращены к соответствующим уступам 26.

Упругое средство 18 содержит:

две пружины 35, каждая из которых расположена между соответствующим уступом 28 и соответствующим уступом 22; и

две пружины 36, каждая из которых расположена между соответствующим уступом 26 и соответствующим уступом 31.

Пружины 35, 36 продолжаются параллельно оси В и, в показанном примере, представляют собой спиральные пружины.

Пружины 36 расположены между пружинами 35.

Пружины 35, 36 устанавливают кольцо 11 в первое положение. Более конкретно, пружины 35, 36 нагружаются для приложения соответствующих равных противоположных усилий F1, F2 к стержню 16 и, следовательно, к валу 2, когда вал 2 не прикладывает усилия к кольцу 11, т.е. когда вал 2 вращается в пределах первого диапазона скоростей.

Как показано на фиг.2, усилие F2 направлено от уступа 22 к уступу 28.

Усилие F1 направлено от уступа 26 к уступу 31.

Усилия F1, F2 параллельны оси В.

Напротив, при вращении во втором диапазоне скоростей, вал 2 прикладывает усилие к кольцу 11, таким образом, нарушая равновесие усилий F1, F2.

Когда скорость вращения вала 2 возвращается в первый диапазон скоростей, пружины 35, 36 толкают стержень 16 и, следовательно, кольцо 11, выполненное за одно целое со стержнем 16 упруго вдоль оси В по направлению к валу 2.

Более конкретно, пружины 35, 36 нагружаются как раз достаточно для преодоления силы трения тормозного кольца 11 и стержня 16.

Добавочное приспособление 17 вмещает шарнирное соединение 40, через которое установлен стержень 16 и которое позволяет стержню 16 и, следовательно, кольцу 11 вращаться вокруг оси С, параллельной оси А.

Более конкретно, шарнирное соединение 40 (фиг.4) содержит:

элемент 41, который размещается внутри места, образованного добавочным приспособлением 17, и имеет поверхность 42 в форме участка сферической поверхности; и

элемент 43, который образует сквозное отверстие 44, через которое установлен стержень 16, и имеет поверхность 45, взаимодействующую с поверхностью 42.

Поверхность 45 представлена в форме участка сферической поверхности.

Элемент 41 закреплен внутри добавочного приспособления 17, а элемент 43 выполнен с возможностью вращения относительно элемента 41 вокруг оси С.

Устройство 1 также содержит (фиг.1):

два стержня 50, которые привинчиваются на концах на внутренних соответствующих стенках 49 поддерживающего корпуса 6, продолжаются свободно через соответствующие выступы 51 кольца 11 и выступают от выступов 51 в направлении, параллельном осям А и С;

две дискообразные плиты 52, через которые установлены коаксиально соответствующие стержни 50 и закрепленные относительно поддерживающего корпуса 6; и

две пружины 59, каждая из которых расположена между соответствующим стержнем 50 и соответствующей плитой 52.

Стенки 49 по форме кольцеобразные и каждая из них продолжается между соответствующей стороной 9 и поперечиной 8.

Пружины 59 представляют собой спиральные пружины в показанном примере и продолжаются параллельно осям А и С.

Со ссылкой на фиг.3 каждый выступ 51 является по существу цилиндрическим и ограничен аксиально первой поверхностью 53 и противоположной второй поверхностью 54.

Поверхность 53 каждого выступа 51 обращена и расположена на заданном расстоянии от соответствующей плиты 52, и поверхность 54 каждого выступа 51 обращена к и расположена на заданном расстоянии от соответствующей стенки 49.

Каждая поверхность 53 содержит кольцеобразную опору, зацепленную дискообразной шайбой 55, которая взаимодействует посредством скольжения с соответствующей плитой 52.

Каждая поверхность 54 содержит кольцеобразную опору, зацепленную дискообразной шайбой 57, которая взаимодействует посредством скольжения с шайбой 56, выполненной за одно целое с соответствующей стенкой 49.

Пружины 59 нагружают соответствующие плиты 52 против соответствующих шайб 55 и шайбы 57 против шайб 56 для увеличения трения скольжения между шайбами 55 и плитами 52 и между шайбами 57 и 56, когда стержень 16 скользит вдоль оси В (фиг.3).

Работа устройства 1 показана, начиная с положения, в котором вал 2 вращается в первом диапазоне скоростей, т.е. ниже или выше критических скоростей вала.

В этом положении имеются незначительные изгибные колебания вала 2, которые, следовательно, продолжаются свободно через профиль 13 отверстия 12.

Пружины 35, 36 прилагают соответствующие равные противоположные усилия F1, F2 к стержню 16 и, следовательно, кольцу 11.

Когда вал 2 вращается во втором диапазоне скоростей, т.е. приближается к или достигает одной из критических скоростей, изгибное колебание вала 2 является достаточным для приведения его в контакт с профилем 13.

Изгибное колебание вала 2 (фиг.2) заставляет:

кольцо 11 и, следовательно, стержень 16 скользить вдоль оси В внутри отверстия 44; и

кольцо 11 и, следовательно, стержень 16 и плиту 30 колебаться вокруг оси С, образованной шарнирным соединением 40, так что центр отверстия 12 смещается относительно оси А.

Центр отверстия 12 смещается относительно оси А, вследствие радиальной плоскости, к оси А, на которой изгибные колебания наиболее сильные, периодически меняющиеся вдоль идеализированного цилиндра, центрированного вокруг оси А.

Центр отверстия 12, таким образом, периодически описывает окружность, центрированную вокруг оси А.

Другими словами, стержень 16 скользит вдоль оси В, и ось В стержня 16 колеблется около оси С.

Скольжению стержня 16 вдоль оси В препятствует трение скольжения между шайбами 55, 57, выполненными за одно целое со стержнем 16, и плитами 52 и шайбами 56, выполненными за одно целое с поддерживающим корпусом 6.

Это трение скольжения препятствует перемещению кольца 11 вдоль оси В и гасит изгибное колебание вала 2, который, таким образом, вращается стабильно вокруг оси А.

В этом положении усилия F1, F2, следовательно, не являются больше равными, и разница между ними уравнивает усилие, прикладываемое валом 2 к кольцу 11 и, следовательно, к стержню 16.

Когда скорость вращения вала 2 возвращается в первый диапазон, пружины 35, 36 отскакивают в соответствующие нагруженные положения.

Стержень 16, таким образом, отталкивается от нижней стенки 7, и кольцо 11 возвращается в первое положение.

Пружины 35, 36 также вращают стержень 16 вокруг оси С в положение, в котором ось В перпендикулярна оси А, и центр отверстия 12 еще раз размещается вдоль оси А.

Другими словами, пружины 35, 36 перемещаются в соответствующие положения, в которых они прикладывают соответствующие равные противоположные усилия F1, F2 к стержню 16.

Преимущества демпфирующего устройства 1 согласно настоящему изобретению будут понятны из вышеизложенного описания.

В частности, пружины 35, 36 обеспечивают, посредством стержня 16, возвращение кольца 11 быстро и точно в первое положение, как только скорость вращения вала 2 понижается ниже критических скоростей вала 2.

Более конкретно, пружины 35, 36:

заставляют скользить стержень 16 и, следовательно, кольцо 16 от нижней стенки 7 вдоль оси В; и

вращают стержень 16 и, следовательно, кольцо 11 вокруг оси С, образованной шарнирным соединением 40.

Другими словами, пружины 35, 36 уменьшают трение между профилем 13 отверстия 12 и внешним профилем вала 2, как только скорость вращения вала 2 переходит из второго в первый диапазон.

Пружины 35, 36 также уменьшают время действия устройства 1 для изгибной нестабильности вала 2, таким образом, повышая стабилизирующий эффект устройства 1.

Кольцо 11, выполненное из двух отсоединяемых полуколец 14, 15, делает устройство 1 очень удобным для осмотра и сборки.

Несомненно, могут быть внесены изменения в демпфирующее устройство 1, как описано здесь, однако не выходя за рамки объема настоящего изобретения.

1. Демпфирующее устройство для гашения изгибных колебаний вала, вращающегося вокруг первой оси, содержащее:
поддерживающий корпус; и
первый элемент, который образует кольцеобразное отверстие, через которое он установлен на валу, и выполненный с возможностью перемещения относительно поддерживающего корпуса и радиально относительно первой оси между первым и вторым положением, когда вал изгибается радиально относительно первой оси;
при этом первый элемент установлен в первое положение, а отверстие пересекается свободно валом, когда скорость вращения вала находится в пределах по меньшей мере первого диапазона;
причем первый элемент установлен, при использовании, во второе положение, и профиль отверстия взаимодействует, при использовании, с валом, когда скорость вращения вала находится в пределах второго диапазона, отличающегося от первого диапазона и содержащего по меньшей мере одну критическую скорость вала;
при этом устройство содержит:
первое упругое средство, расположенное между поддерживающим корпусом и первым элементом; и
стержень, выполненный с возможностью перемещения совместно с первым элементом по направлению, которое является радиальным относительно первой оси;
при этом первое упругое средство расположено между стержнем и поддерживающим корпусом;
отличающееся тем, что содержит плиту, выполненную за одно целое со стержнем и поперек него;
причем первое упругое средство содержит:
по меньшей мере одну первую пружину, расположенную между первым участком поддерживающего корпуса и выступом первого элемента; и
по меньшей мере одну вторую пружину, расположенную между плитой и вторым участком поддерживающего корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первое упругое средство устанавливает первый элемент в первое положение.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первая пружина нагружается для приложения первого усилия, а вторая пружина нагружается для приложения второго усилия, при этом первое усилие равно и противоположно второму усилию.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый элемент выполнен с возможностью вращения относительно поддерживающего корпуса вокруг второй оси, параллельной первой оси.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит первый корпус, имеющий первую поверхность, взаимодействующую со второй поверхностью второго корпуса, закрепленного относительно поддерживающего корпуса;
при этом первая и вторая поверхность имеют форму участка сферической поверхности;
причем первый корпус вращается относительно второго корпуса вокруг второй оси; и
стержень скользит относительно первого корпуса вдоль третьей оси поперек первой и второй оси и вращается по меньшей мере вокруг второй оси относительно поддерживающего корпуса.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что первый элемент содержит первый и второй полуэлементы, соединенные с возможностью разъединения друг с другом.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит:
второй элемент, который перемещается совместно с первым элементом; и
третий элемент, взаимодействующий посредством скольжения со вторым элементом и выполненный с возможностью перемещения совместно с поддерживающим корпусом.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что содержит второе упругое средство для нагружения второго элемента против третьего элемента.

9. Привод, содержащий:
по меньшей мере вал, который, при использовании, работает в пределах второго диапазона скоростей вращения; и
устройство по п.1.

10. Воздушное судно, содержащее привод по п.9.