НЕИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ТРЕНАЖЁР

Полезная модель «Неинерциальный гироскопический тренажер» относится к области авиации, космонавтики, медицины и может быть использован для тренировки вестибулярного аппарата, адаптации к перегрузкам спортсменов, пилотов, космонавтов. Тренажер может применяться в медицине для исследования действия угловых скоростей и угловых ускорений на организм человека, может быть использован в развлекательных аттракционах.
Аналогом "Неинерциального гироскопического тренажера" является "Тренажер для исследования и тренировки вестибулярного аппарата" (патент №328500 МПК G09B 9/00 автор М.М. Левашов, Н.С. Слевчук, заявка 1285140, опубликован 14.06.1973 г. Б №26 от 17.09.1973 г.
Тренажер представляет собой механическое устройство, состоящее из шаровидной кабины, блока управления и приводного механизма, выполненного в виде нескольких фрикционных роликов, причем одни ролики являются ведущими, а другие - опорными, оси роликов могут изменять свое положение как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, за счет этого кабина приобретает возможность вращаться с различными кинематическими параметрами. Недостатком данного технического решения заключается в том, что вращение кабины с разными параметрами угловых скоростей осуществляется более сложным механическим способом, что усложняет задачу придания пространственного вращения с определенно заданными параметрами соотношения угловых скоростей. Данная задача решается за счет того, что предлагаемый "Неинерциальный гироскопический тренажер" имеет пространственный дифференциально-планетарный механизм, который соединяет кольца карданного подвеса, тем самым позволяя создавать более сложную форму пространственного вращения кабины с определенно заданным соотношением угловых скоростей, используя один двигатель для передачи крутящего момента на кабину посредством этого механизма.
Наиболее близким по техническому решению прототипу к заявленному "Неинерциальному гироскопическому тренажеру" является аттракцион "Абсолют", патент №2358789 RU, МПК A63G 31/02, автор изобретения Основин Е.В., опуб. от 20.06.2009, БИ №17, предназначенный для создания эффекта свободного падения при вращении. Изобретение состоит из стойки с вертикальными балками, в центре которых закреплено наружное кольцо, в котором с помощью шарниров установлено промежуточное кольцо. Вдоль вертикали в промежуточном кольце также с помощью шарниров закреплено центральное кольцо, в котором жестко установлена кабина-капсула. Данная схема аттракциона "Абсолют" позволяет совершать вращательное движение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Недостатком данного технического решения является то, что наружное, промежуточное и центральное кольца соединены между собой шарнирно и жестко относительно балок, при этом наружное кольцо вращается с помощью привода, а два других кольца вращаются свободно без определенно заданной частоты вращения, что снижает эффективность целенаправленной работы тренажера.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, ограниченных возможностями функций устройства аттракциона "Абсолют", не обеспечивающих регулирование угловых скоростей и угловых ускорений звеньев и капсулы, снижающих функциональные возможности устройства.
Данная задача достигается за счет того, что предлагаемая полезная модель включает карданный подвес, состоящий из трех колец находящихся одно в другом, которые находятся между собой в пространственной дифференциально-планетарной связи; внешнее кольцо карданного подвеса связано со стойками станины горизонтальной осью вращения, в нем закреплены два других кольца - среднее и малое (внутреннее), ось вращения среднего кольца к.п. расположена в перпендикулярной плоскости относительно оси вращения внешнего кольца к.п., ось вращения малого кольца к.п. расположена в перпендикулярной плоскости относительно оси вращения среднего кольца к.п., внешнее кольцо карданного подвеса через ось вращения связана с двигателем, внешнее кольцо карданного подвеса, являясь водилом, имеет два обода крепления и два диска крепления с подшипниками, через которые проходит ось вращения среднего кольца карданного подвеса, среднее и малое кольцо карданного подвеса связаны между собой конической зубчатой передачей, которая включает четыре колеса с зубьями и два кольца шестерни, у одной пары колес с зубьями среднего кольца к.п. (карданного подвеса) ось вращения проходит через внешнее кольцо к.п., у другой пары колес малого кольца к.п. ось вращения проходит через среднее кольцо карданного подвеса, в каждой паре колес одно колесо имеет реверсивный ход вращения, другое неподвижно связана с осью вращения; колеса входят в зацепление с внешним и с внутренним кольцами шестерни, имеющих пазы для зубьев колес; внешнее кольцо шестерни, являясь неподвижным элементом звена, крепится к стойки станины четырьмя болтами с пружинами, внутреннее кольцо шестерни, являясь подвижным элементом звена, закреплено болтами в количестве 8 шт. с пружинами внутри внешнего кольца к.п. и вращается вместе с ним, входя в зацепление с зубчатым колесом малого (внутреннего) кольца карданного подвеса, в котором жестко закреплена кабина с сиденьем с ремнями безопасности; кабина оборудована автономной сигнализацией, которая представляет собой световую индикацию зеленого и красного света, определяющую собой нормальное самочувствие тренируемого и сигнал аварийной остановки тренажера, управление световой индикацией осуществляется методом нажатия на кнопочные выключатели, вмонтированные в правую и левую сторону подлокотников сиденья.
Техническим результатом является расширение технологических возможностей, обеспечивающих регулирование соотношений угловых скоростей и угловых ускорений звеньев и кабины в пространстве с одновременным расширением функциональных возможностей устройства изменять угловые скорости на выходе при неизменных угловых скоростях на входе, способность делить и суммировать потоки мощности при постоянно зацепленных шестернях, приводящих к повышению эффективности "Неинерциального гироскопического тренажера."
Технический результат достигается тем, что в "Неинерциальном гироскопическом тренажере", состоящем из станины со стойками, поддерживающей установку, двигателя, кабины, трех колец карданного подвеса, в качестве соединения этих звеньев введен пространственный дифференциально-планетарный механизм, который включает внешнее кольцо к.п., связанное с двигателем, выполняющее функцию водила, внешнюю и внутреннюю пару зубчатых колес, выполняющих функцию сателлита и в зацепление с внешним неподвижным кольцом шестерни, и в зацеплении с внутренним подвижным кольцом шестерни - функцию дифференциала, пространственный дифференциально-планетарный механизмом позволяет разлагать частоту крутящего момента двигателя на разно обозначенные частоты вращения колец карданного подвеса, как по модулю, так и по их пространственному направлению вращения, получая при этом на выходе определенно заданную форму вращения кабины относительно трех плоскостей пространства.
Новизна
Предлагаемое устройство полезной модели позволяет создать эффективный неинерциальный гироскопический тренажер за счет его конструктивного выполнения и введения пространственного дифференциально-планетарного механизма, расширяющего технологические и функциональные особенности устройства, то есть повысить степень подвижности кабины в пространстве и обеспечить регулирование переменными по величине и направлению угловыми скоростями и ускорениями Данные возможности достигаются тем, что в неинерциальном гироскопическом тренажере, состоящем из станины со стойками, поддерживающей установку, кабины, трех колец карданного подвеса, соединенных пространственным дифференциально-планетарным механизмом, согласно которому в качестве звеньев введены две пары зубчатых колес и два кольца шестерни, внешняя пара конических зубчатых колес связана с внешним неподвижным кольцом шестерни, внутренняя пара конических зубчатых колес связана с внутренним подвижным кольцом шестерни, внешние и внутренние звенья пространственного дифференциально-планетарного механизма посредством конической зубчатой передачи соединяют кольца карданного подвеса, позволяя тем самым частоту вращения двигателя делить на разные частоты вращения колец карданного подвеса и соединять их в определенную форму пространственного вращения кабины тренажера относительно трех плоскостей пространства; устройство полезной модели имеет 4 звена: 1-е звено - неподвижная станина-стойка, с которой связана ось вращения внешнего кольца к.п., 2-е звено - внешнее кольцо к.п., имеющее одну степень подвижности в горизонтальной плоскости вращения, 3-е звено - среднее кольцо к.п., имеющее две степени подвижности в форме осевого вращения и пространственного вращения оси по окружности в перпендикулярной плоскости, 4-е звено - малое (внутренне кольцо) к.п. с кабиной, имеющее три степени подвижности в форме осевого вращения и совмещенного пространственного вращения оси в перпендикулярной и в горизонтальной плоскости; передача крутящего момента передается от двигателя через шкивную передачу на внешнее кольцо к.п., которое, являясь водилом, через элемент звена внешней конической зубчатой передачи передает вращение на среднее кольцо к.п. и которое через внутреннею коническую зубчатую передачу передает вращение на малое кольцо к.п. и кабину; определенно заданная форма вращения кабины создается за счет значения передаточных отношений равных отношению модулей угловых скоростей или частоты вращения звеньев, где модуль угловой скорости, частота вращения внешнего кольца к.п. зависит от заданной частоты вращения вала двигателя, а среднего кольца к.п. - от отношения диаметра внешнего зубчатого колеса (сателлита) к диаметру внешнего кольца к.п., учитывая длину окружности неподвижного внешнего кольца шестерни, малого кольца к.п. - от отношения диаметра внутреннего зубчатого колеса (сателлита) к диаметру внешнего зубчатого колеса., учитывая длину окружности внутреннего, подвижного (относительно стойки) кольца шестерни; степень подвижности пространственного механизма определяется по формуле Сомова-Малышева т.е.
W=6(n-1)-5р-4р-3р-2р-р
- где W - степень подвижности (степень свободы) механизма. n - кол. кинематических звеньев, р - степень подвижности звеньев.
n=(5-1)=4 (внешнее кольцо к.п., среднее кольцо к.п., малое кольцо к.п. с кабиной, дифференциал с конической зубчатой передачей, станина-стойка).
р=2 (кол. одноподвижных звеньев: внешнее кольцо к.п., внутреннее кольцо шестерни).
р=2 (кол. двух подвижных звеньев: среднее кольцо к.п., сателлиты-зубчатые колеса).
р=1 (кол. трех подвижных звеньев: малое кольцо к.п. с кабиной)
w=6×4-5×2-4×2-3×1-0-0=24-21=3
Внешнее и внутреннее зубчатое колесо с реверсивным вращением, а также два диска крепления внешнего кольца к.п. имеют пассивные связи.
Вращательные пары соединены в точках А, В, С, D, Е (Фиг. 1)
- в точке А соединены внешнее кольцо к.п. со стойкой
- в точке В соединены среднее кольцо к.п. с внешним кольцом к.п.
- в точке С соединены малое кольцо к.п. со средним кольцом к.п.
- в точке D соединены в виде зацепления внешнее зубчатое колесо среднего кольца к.п. с неподвижным кольцом шестерни
- в точке Е соединены в виде зацепления внутреннее зубчатое колесо малого кольца к.п. с подвижным (относительно стойки) кольцом шестерни.
Для пояснения технической сущности предлагаемого "Неинерциального гироскопического тренажера" представлены чертежи.
На фиг. 1, фиг. 3 - представлен общий вид "Неинерциального гироскопического тренажера", где
1 - внешнее кольцо к.п. (водило), 2 - среднее кольцо к.п., 3 - малое кольцо к.п., 4 - кабина тренажера с сиденьем, 5 - внешние зубчатые колеса (сателлиты), 6 - внутренние зубчатые колеса (сателлиты), 7 - внешнее кольцо шестерни, 8 - внутреннее кольцо шестерни, 9 - неподвижное соединение внешнего, внутреннего зубчатого колеса с осью вращения, 10 - неподвижное соединение оси вращения внешних зубчатых колес со среднем кольцом к.п., 11 - неподвижное соединение оси вращения внутренних зубчатых колес с малым кольцом к.п., 12 - неподвижное соединение кабины с малым кольцом к.п., 13 - неподвижное соединение внешнего кольца к.п. с внешней осью вращения, 14 - реверсивное соединение внешнего, внутреннего зубчатого колеса с осью вращения, 15 - сквозное соединение оси вращения внутренних зубчатых колес со средним кольцом к.п., 16 - сквозное соединение оси вращения внешних зубчатых колес с внешним кольцом к.п., 17 - диски крепления с подшипниками (18), 19 - подшипники внешней оси вращения (24), 20 - болты крепления с пружиной, 21 - станина со стойками, 22 - двигатель, 23 - шкивная передача.
На фиг. 2 - представлено направление вращения внешнего кольца к.п., среднего кольца к.п. и малого (внутреннего) кольца к.п. с кабиной относительно трех плоскостей пространства, где
1 - направление вращения внешнего кольца к.п в плоскости Y с неподвижной осью вращения лежащей в плоскости X.
2 - направление вращения среднего кольца к.п. в плоскости Y с подвижной осью вращения в плоскости X
3 - направление вращения малого (внутреннего) кольца к.п. в плоскости Y с подвижной осью вращения в плоскостях X-Z.
Вращение кабины "Неинерциального гироскопического тренажера" с разными по модулю угловыми скоростями и пространственного направления вращательного движения осуществляется следующим образом.
Двигатель 22 через шкивную передачу 23 и внешнюю ось вращения 24 приводит во вращение в плоскости Y внешнее кольцо к.п. 1 которое, являясь водилом, передает вращение через элемент соединения 16 на среднее кольцо к.п. 2, среднее кольцо к.п. 2, вращаясь в плоскости Y, посредством внешнего зубчатого колеса (сателлит) 5 в зацеплении с внешним неподвижным кольцом шестерни 7 осуществляет вращение своей оси в плоскости X, среднее кольцо к.п. 2, вращаясь в плоскости Y-X, через элемент соединение 15 передает вращение на малое (внутреннее) кольцо к.п. 3, малое кольцо к.п. 3, вращаясь в плоскости Y-X, посредством внутреннего зубчатого колеса (сателлит) 6 в зацеплении с внутренним подвижным (относительно стойки) кольцом шестерни 8 осуществляет вращение своей оси в плоскости Z, в итоге кабина, закрепленная в малом (внутреннем) кольце к.п. 3, приобретает разнонаправленное пространственное вращение, форму которого определяет соотношение частот вращения колец к.п. в зависимости от передаточных отношений звеньев пространственного дифференциально-планетарного механизма.
Описание чертежей.
Чертежи выполнены в виде схематичных рисунков, обозначающие элементы строения полезной модели - неинерциального гироскопического тренажера, их функциональные особенности.
На Фиг. 1 изображена функциональная схема элементов неинерциального гироскопического тренажера и позицией обозначены.
1 - внешнее кольцо карданного подвеса.
2 - среднее кольцо карданного подвеса.
3 - малое (внутреннее) кольцо карданного подвеса.
4 - кабина тренажера с сиденьем.
5 - внешние зубчатые колеса шестерни среднего кольца к.п.
6 - внутренние зубчатые колеса шестерни малого кольца к.п.
7 - внешнее кольцо шестерни внешнего зубчатого колеса.
8 - внутреннее кольцо шестерни внутреннего зубчатого колеса.
9 - неподвижное соединение оси вращения с колесом шестерней среднего кольца к.п. и с колесом шестерней малого (внутреннего) кольца к.п. (условное обозначение - х).
10 - неподвижное соединение оси вращения внешнего колеса шестерни со средним кольцом к.п.
11 - неподвижное соединение оси вращения внутреннего колеса шестерни с малым кольцом к.п.
12 - неподвижное соединение кабины тренажера с внутренним кольцом к.п.
13 - неподвижное соединение внешнего кольца к.п. с внешней осью вращения, связанной с двигателем шкивной передачей.
14 - реверсивное соединение оси вращения среднего кольца к.п. с внешним колесом шестерней и оси вращения малого кольца с внутренним колесом шестерней.
15 - сквозное соединение оси вращения внутреннего колеса шестерни со средним кольцом к.п.
16 - сквозное соединение оси вращения внешнего колеса шестерни с внешним кольцом к.п.
На Фиг. 2 изображены плоскости вращения колец карданного подвеса, кабины тренажера и позицией обозначены.
1 - плоскость вращения Y, в которой вращается внешнее кольцо к.п.
2 - плоскость вращения Y-X, в которой вращается среднее кольцо к.п.
3 - плоскость вращения Y-X-Z, в которой вращается внутреннее кольцо к.п. с кабиной.
На Фиг. 3 изображен неинерциальный гироскопический тренажер с двигателем и позицией обозначены.
17 - диск крепления, который соединяет внешнее кольцо к.п. с ободом крепления внешней сферы вращения.
18 - подшипник диска крепления, через который проходит ось вращения внешнего колеса шестерни.
19 - подшипник стойки станины, через который проходит внешняя ось внешнего кольца к.п., связанного с двигателем.
20 - болты крепления с пружиной, которые связывают внешнее кольцо шестерни со стойкой станины.
21 - станина со стойкой, к которой крепится устройство н.г. тренажера.
22 - двигатель, который приводит во вращение внешнее кольцо к.п.
23 - шкивная передача, которая соединяет двигатель с внешней осью вращения н.г. тренажера.
24 - внешняя ось вращения, которая соединяет внешнее кольцо н.г. тренажера с двигателем и проходит через подшипники стойки станины.
На Фиг. 4 изображено внешнее кольцо карданного подвеса с горизонтальным и с вертикальным ободом крепления, с дисками крепления и позицией обозначены.
1 - внешнее кольцо карданного подвеса.
17 - два диска крепления.
25 - горизонтальный обод крепления.
26 - вертикальный обод крепления.
На Фиг. 5 изображено отдельно внешнее кольцо карданного подвеса и позицией обозначены.
1 - внешнее кольцо к.п.
1.1 - пазы для вертикального обода крепления.
На Фиг. 6 изображен отдельно вертикальный обод крепления, который крепится в пазы во внутреннюю сферу внешнего кольца к.п. и позицией обозначены.
26 - вертикальный обод крепления.
На фиг. 7 изображен отдельно горизонтальный обод крепления, который имеет пазы и накладывается с внешней сферы внешнего кольца к.п. и позицией обозначены.
25 - горизонтальный обод крепления.
25.1 - пазы для внешнего кольца к.п.
На Фиг. 8 изображено внешнее кольцо к.п. с вертикальным ободом крепления и с кольцом шестерни внутренней сферы вращения и позицией обозначены.
1 - внешнее кольцо к.п.
8 - внутреннее кольцо шестерни.
26 - вертикальный обод крепления.
27 - кронштейн крепления с пружинами (8 шт.)
На Фиг. 9 изображено отдельно внутреннее кольцо шестерни с пазами для зубьев внутреннего колеса шестерни с элементом крепления, с вертикальным ободом крепления с внешним кольцом к.п., и позицией обозначены.
8 - внутреннее кольцо шестерни.
8.1 - элемент крепления.
8.2 - пазы для зацепления с зубьями внутреннего колеса шестерни.
На Фиг. 10 изображен отдельно элемент крепления в виде кронштейна с внутренним кольцом шестерни и ободом крепления с внешним кольцом к.п., и позицией обозначены.
1 - элемент внешнего кольца к.п.
8 - внутреннее кольцо шестерни.
27 - кронштейн с пружиной.
На Фиг. 11 изображено внешнее кольцо к.п. с вертикальным ободом крепления, горизонтальным ободом крепления, с двумя дисками крепления с подшипниками, с элементами крепления и позицией обозначены.
1 - внешнее кольцо карданного подвеса, к которому крепится скобами диски крепления.
17 - диски крепления.
17.1 - скобы крепления.
25 - горизонтальный обод крепления.
26 - вертикальный обод крепления.
28 - элемент крепления вертикального обода с горизонтальным.
На Фиг. 12 изображен диск крепления с пазами со скобами и с подшипником и позицией обозначены.
17 - диск крепления.
17.1 - скобы крепления диска к внешнему кольцу к.п.
18 - подшипник.
На Фиг. 13 изображено среднее кольцо карданного подвеса с внешним колесом шестерней, с малым (внутренним) кольцом к.п. с внутренним колесом шестерней, с кабиной н.г. тренажера и позицией обозначены.
2 - среднее кольцо к.п. в связи с внешним колесом шестерней.
3 - малое (внутреннее кольцо) к.п. в связи с внутренним колесом шестерней.
4 - кабина н.г. тренажера.
5 - внешнее колесо шестерня среднего кольца к.п.
6 - внутреннее колесо шестерня малого кольца к.п.
На Фиг. 14 изображено отдельно среднее кольцо к.п. с колесом шестерней с неподвижным соединением кольца к.п. с осью вращения, отверстием для прохождения оси вращения внутренних колес шестерней и позицией обозначены.
2 - среднее кольцо к.п.
5 - внешнее колесо шестерня.
9 - неподвижное соединение колеса шестерни с осью вращения.
10 - неподвижное соединение оси вращения со средним кольцом к.п.
14 - реверсивное соединение колеса шестерни с осью вращения.
15 - сквозное соединение с осью вращения внутреннего кольца к.п.
На Фиг. 15 изображено отдельно малое кольцо к.п. с кабиной н.г. тренажера и колесом шестерней, и позициями обозначено.
3 - малое кольцо карданного подвеса.
4 - кабина н.г. тренажера.
6 - колеса шестерни малого кольца.
9 - неподвижное соединение оси вращения с колесом шестерни.
11 - неподвижное соединение оси вращения с малым кольцом к.п.
12 - неподвижное соединение кабины н.г. тренажера с малым (внутренним) кольцом к.п.
14 - реверсивное соединение колеса шестерни с осью вращения.
На Фиг. 16 изображена станина со стойками, на которые крепится н.г. тренажер, двигатель - на станину и позицией обозначены.
19 - подшипники стойки станины, через которые проходит внешняя ось вращения, соединенная с внешним кольцом к.п. и с двигателем.
20 - болт крепления с пружиной (4 шт.), который соединяет внешнее кольцо шестерни со стойкой станины.
21 - станина в виде подставки.
21.1 - элемент крестообразной стойки станины.
22.1 - место пространства для двигателя.
22.2 - место пространства для н.г. тренажера.
29 - отверстия для крепления станины.
На Фиг. 17 изображена станина с подшипником для внешней оси вращения и отверстиями для крепления внешнего кольца шестерни к стойке и позицией обозначены.
19 - подшипник.
20.1 - отверстия для крепления внешнего кольца шестерни.
21 - станина в виде подставки.
21.1 - часть стойки станины в виде крестообразной формы.
На Фиг. 18 изображен внешнее кольцо шестерни с отверстиями для крепления к станине, с пазами для зубьев колеса шестерни и позицией обозначены.
7 - внешнее кольцо шестерни сферы вращения внешней колеса шестерни среднего кольца к.п.
7.1 - пазы для зубьев внешних колес шестерней.
20.2 - отверстие для крепления к стойки станины.
На Фиг. 19 обозначен кронштейн с болтом и пружиной для крепления внешнего кольца шестерни к элементу крестообразной стойки станины и позицией обозначены.
7 - часть элемента внешнего кольца шестерни.
20 - болт крепежный.
20.3 - гайка крепежная.
20.4 - шайба.
20.5 - пружина.
20.6 - гайка регулировочная для пружины.
20.7 - контргайка.
20.8 - гайка регулировочная свободного хода болта крепежного.
20.9 - контргайка.
20.10 - болт соединяющий кронштейн с крестообразной стойкой станины.
21.1 - элемент крестообразной стойки станины.