УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
DEVICE FOR LIMITING TORQUE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам для ограничения крутящего момента, которые могут быть использованы, например, в приводных системах воздушного судна.
Уровень техники
Устройства для ограничения крутящего момента применяют для решения самых разнообразных задач. Одним из вариантов применения является их использование в приводных механизмах на воздушном судне, где они могут быть использованы для отклонения поверхностей управления, например, закрылков или предкрылков. Мощность на множество взаимосвязанных приводных механизмов подают от центрального блока силового привода. Устройства для ограничения крутящего момента используют с каждым приводным механизмом для ограничения максимального крутящего момента, передаваемого на выход приводного механизма, в случае заклинивания отклоняемой поверхности. При отсутствии устройства для ограничения крутящего момента весь выходной крутящий момент блока силового привода будет подан непосредственно в заклинивший компонент, который должен иметь соответствующую конструкцию с такими размерами, которые позволят выдерживать такое нагружение. Это может привести к ухудшению весовых параметров воздушного судна, что является нежелательным.
В известных устройствах для ограничения крутящего момента может применяться множество чередующихся фрикционных пластин или система со стержнем, работающим на кручение. Хотя в некоторых случаях эти системы эффективны, существует необходимость в создании альтернативных вариантов устройства для ограничения крутящего момента.
Раскрытие сущности изобретения
В настоящем изобретении предложено устройство для ограничения крутящего момента, содержащее входной вал, выходной вал и предварительно нагруженную при кручении пружину кручения, имеющую первый конец и второй конец. Первый конец и второй конец пружины кручения соединены как со входным валом, так и с выходным валом, благодаря чему крутящий момент передается между входным валом и выходным валом через предварительно нагруженную пружину кручения. Соединения между пружиной кручения и входным валом и соединение между пружиной кручения и выходным валом допускают ограниченный относительный поворот между входным валом и выходным валом. Кроме того, устройство содержит заклинивающий механизм, выполненный с возможностью срабатывания в ответ на наличие относительного поворота между входным валом и выходным валом, для прекращения поворота как входного вала, так и выходного вала.
Пружина кручения может представлять собой прорезную пружину кручения.
Соединения между первым и вторым концами пружины кручения и входным и выходным валами могут включать в себя первый и второй соединительные стержни, проходящие через соответствующие отверстия во входном и выходном валах в пружину кручения.
Отверстия во входном и выходном валах могут проходить по круговой дуге, которая является большей, чем диаметр соединительных стержней, для обеспечения возможности относительного поворотного движения входных и выходных валов. Например, отверстия могут проходить по дуге 10-20°, например 15°.
Пружина кручения может быть расположена вокруг входного и выходного валов.
Заклинивающий механизм может содержать множество наклонных поверхностей, образованных на входном валу (56), неподвижную конструкцию (66) устройства и множество роликовых элементов, расположенных между входным валом и неподвижной конструкцией. Роликовые элементы могут быть приняты между смежными наклонными поверхностями на входном валу. Механизм может дополнительно включать в себя приводной механизм, соединенный с выходным валом для перемещения роликовых элементов вдоль наклонных поверхностей при относительном повороте входного и выходного валов.
Приводной механизм может содержать множество зубцов, проходящих между смежными роликовыми элементами.
Зубцы могут выступать из одного конца выходного вала.
Смежные наклонные поверхности могут быть расположены симметрично по окружности.
Выходной вал может содержать шестерню для соединения с входом приводного механизма.
Пружина кручения может содержать средства изменения степени предварительного нагружения пружины.
По меньшей мере один конец пружины кручения может содержать совокупность распределенных по окружности, противоположных отверстий для приема в них соответствующего соединительного стержня.
Пружина кручения может быть изготовлена из титана или титанового сплава.
Настоящее изобретение также распространяется на приводную систему, содержащую приводной механизм, имеющий вход, соединенный с выходным валом устройства для ограничения крутящего момента, как это описано во многих из вышеприведенных пунктов.
Настоящее изобретение также распространяется на системы воздушного судна, которые включают множество приводных систем, которые, как описано выше, последовательно соединены с общим блоком силового привода.
Краткое описание чертежей
Далее один из вариантов осуществления настоящего изобретения будет описан исключительно в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1 показана система воздушного судна, содержащая множество приводных механизмов;
На фиг. 2 показан вертикальный поперечный разрез приводного механизма, реализующего устройство для ограничения крутящего момента согласно настоящему изобретению, в котором пружина кручения показана неразрезанной;
На фиг. 3 показан полный вертикальный поперечный разрез приводного механизма по фиг. 2;
На фиг. 4 показан вид в разрезе по линии С-С на фиг. 3 во время нормального функционирования приводного механизма;
На фиг. 5 показан вид в разрезе по линии А-А на фиг. 3 во время нормального функционирования приводного механизма;
На фиг. 6 показан вид в разрезе по линии В-В на фиг. 3 во время нормального функционирования приводного механизма;
На фиг. 7А схематически показана передача усилия в устройстве для ограничения крутящего момента во время нормального функционирования при повороте входного вала в направлении по часовой стрелке;
На фиг. 7В схематически показана передача усилия в устройстве для ограничения крутящего момента в заклиненном состоянии при повороте входного вала в направлении по часовой стрелке;
На фиг. 8А схематически показана передача усилия в устройстве для ограничения крутящего момента во время нормального функционирования при повороте входного вала в направлении против часовой стрелки; а
На фиг. 8В схематически показана передача усилия в устройстве для ограничения крутящего момента в заклиненном состоянии при повороте входного вала в направлении против часовой стрелки.
Подробное описание
На фиг. 1 показана система 2 управления приводом предкрылков воздушного судна. Эта система содержит множество отклоняемых предкрылков 4, которые выборочно отклоняются и убираются поворотными приводными механизмами 6. Каждый приводной механизм 6 приводится в движение приводом поворота от общего блока 8 силового привода. Приводное усилие передается от блока 8 силового привода через последовательно соединенные валы 10 передачи мощности, которые последовательно соединяют исполнительные устройства 6. Кроме того, типовая система может включать тормоза 12 и асимметричные датчики 14.
Как уже обсуждалось выше, исполнительные механизмы 6 отклоняют и убирают предкрылки 4. Если один из предкрылков 4 заклинивается, то потенциально вся выходная мощность блока 8 силового привода может быть подана на этот предкрылок 4. Таким образом, предкрылок 4 и наружная конструкция воздушного судна должны иметь такие размеры, которые позволят им выдерживать такие воздействия, из-за чего они могут иметь избыточную массу, что является нежелательным. Поэтому обычно в приводные механизмы 6 устанавливают ограничители крутящего момента.
На фиг. 2-6 показан привод 20 поворотного приводного механизма, содержащий устройство для ограничения крутящего момента, соответствующее настоящему изобретению.
Со ссылкой на фиг. 2 и 3, привод 20 поворотного приводного механизма содержит приводную часть 22 и соединенное с ним устройство 24 для ограничения крутящего момента. Привод 20 поворотного приводного механизма включает приводной вал 26, который проходит вдоль всей длины привода 20. Приводной вал 26 содержит шлицы 28 на каждом конце для соединения, например, с шлицами, предусмотренными на концах валов 10 передачи мощности, которые обсуждались выше.
Кроме того, привод 20 содержит корпус 30, который вмещает приводную часть 22 и устройство 24 для ограничения крутящего момента. В этом варианте осуществления корпус 30 содержит первую и вторую части 32, 34 корпуса, соединенные друг с другом фланцевым соединением 36. Конец второй части 32 корпуса, удаленный от фланцевого соединения 36, закрыт крышкой 38, которая поддерживает подшипник 40, поддерживающий одну концевую часть 42 приводного вала 26, и поворотное уплотнение 44. Разумеется, корпус 30 может иметь и другую конструкцию.
В эксплуатации корпус 30 закреплен на неподвижной конструкции. Первая часть 32 корпуса по существу вмещает приводную часть 22, а вторая часть 34 корпуса вмещает устройство 24 для ограничения крутящего момента.
Приводная часть 22 содержит систему 46 планетарной передачи, которая принимает передаваемую мощность от шестерни 48 с наружным зацеплением, которая установлена на выходной вал 50 устройства 24 для ограничения крутящего момента. Выход системы 46 планетарной передачи соединен с внешним валом 52, который поддерживается на валу 26 для поворота относительно него посредством подшипника 54. Система 46 планетарной передачи выполнена с возможностью уменьшения скорости поворота приводного вала 26 на вводе в приводной механизм.
Устройство 24 для ограничения крутящего момента расположено на конце 42 вала 26. Устройство 24 для ограничения крутящего момента содержит входной вал 56, который в этом варианте осуществления включает концевую часть 42 приводного вала 26. Этот концевой участок 42 вала 26 также содержит поверхность 58 для приема ролика, которая принимает множество роликовых элементов 60, и гнездо 62 для приема с возможностью осуществления поворота выходного вала 50 устройства 24 для ограничения крутящего момента. Поверхность 58 для приема ролика содержит множество симметричных наклонных участков 64, между которыми расположены роликовые элементы 60 (см. фиг. 4А). Роликовые элементы 60 устанавливают внутрь кольца 66, которое прикреплено ко второй части 34 корпуса или является ее частью и представляет собой неподвижную конструкцию.
Как отмечалось выше, выходной вал 50 содержит шестерню 48 с наружным зацеплением, образованную на одном его конце для передачи мощности на систему 46 планетарной передачи. На своем другом конце он содержит множество выступающих зубьев 68, которые, как видно из фиг. 4, проходят между роликовыми элементами 60. Как будет объяснено ниже, роликовые элементы 60, наклонные участки 64, зубья 68 и неподвижное кольцо 66 вместе образуют заклинивающий механизм 78.
Выходной вал 50 в этом варианте имеет утоненную центральную область 70, а также первый и второй концы 72, 74, образованные в этом варианте осуществления в виде фланцев. Такое расположение позволяет снизить массу, но возможны и другие конфигурации.
Вокруг выходного вала 50 установлена прорезная (machined) пружина 80 кручения. В этом варианте осуществления пружина 80 кручения изготовлена из титана или титанового сплава, хотя могут быть использованы и другие материалы. Материал пружины 80 подбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимую прочность и растяжимость при кручении.
Пружина 80 кручения имеет первый и второй концы 82, 84. Оба конца 82, 84 имеют отверстия 86 для приема концов первого и второго соединительных стержней 88, 90. Как показано на фиг. 5, по меньшей мере первый конец 82 пружины 80 кручения содержит совокупность распределенных по окружности, диаметрально противоположных отверстий 86 для цели, которая будет описана ниже. Второй конец 84 может содержать только одну пару противоположных отверстий 86. Первый и второй концы 82, 84 пружины 80 кручения могут быть накрыты колпачками 92, которые могут фиксировать соединительные стержни 88, 90 в радиальном направлении.
Как показано на фиг. 5 и 6, первый соединительный стержень 88 проходит через соответствующие противоположные отверстия 94 во входном валу 56 и через противоположные отверстия 96 на первом конце 72 выходного вала 50. Вторые соединительные стержни 90 проходят через противоположные отверстия 98 во входном валу 56 и противоположные отверстия 100 на втором конце 74 выходного вала 50. Как можно видеть на фиг. 4А и 5А, отверстия 94, 96 и отверстия 98, 100 выровнены с возможностью прохождения соответствующих соединительных стержней 88, 90. Каждое отверстие 94, 96, 98, 100 по окружности является большим, чем принимаемый им соединительный стержень 88, 90, и имеет угловой фактор α. Это позволяет выполнять относительное поворотное движение между входным валом 51 и выходным валом 50, как будет дополнительно описано ниже. В этом варианте осуществления угол α может составлять, например, от 10 до 15°.
Пружина 80 кручения является предварительно нагруженной при кручении. Другими словами, первый и второй концы 82, 84 пружины 80 кручения поворачивают в противоположных направлениях друг от друга из положения механического равновесия пружины прежде, чем соединительные стержни 88, 90 будут вставлены через отверстия 94, 96, 98, 100. Требуемой степени предварительного нагружения достигают путем зацепления второго соединительного стержня 90 в отверстиях 86 на втором конце 84 пружины кручения и соединительного стержня 88 в требуемой паре противоположных отверстий 86 на первом конце 82 пружины 80 кручения.
Эффект этого состоит в смещении соединительных стержней 88, 90 в положение соприкосновения со стенками отверстий 82, 84 во входных и выходных валах 56, 50, как показано на фиг. 4 и 5. Первый соединительный стержень 88 смещается в положение соприкосновения с поверхностями 102, 104 отверстий 94, 96, обращенными в направлении по часовой стрелке (по фиг. 5). Однако второй соединительный стержень 90 смещается в положение соприкосновения с передними поверхностями 106, 108 отверстий 98, 100, обращенными в направлении против часовой стрелки (по фиг. 6).
В эксплуатации приводной вал 26 привода 20 может поворачиваться в направлении либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки в зависимости от требуемого направления поворота выходного вала 22 приводного механизма. На фиг. 7А показано, каким образом крутящий момент передается между входным и выходным валами 56, 50 устройства для ограничения крутящего момента, когда приводной вал 26 поворачивается в направлении против часовой стрелки по фиг. 5 и 6.
В этом режиме функционирования поверхности 106, обращенные в направлении против часовой стрелки, отверстий 98 во входном валу 56 передают крутящий момент на соединительный стержень 80. Этот крутящий момент затем передается на второй конец 84 пружины 80 кручения, через пружину 80 кручения на первый конец 82 пружины 80 кручения, а оттуда на первый соединительный стержень 88. Первый соединительный стержень 88 затем передает крутящий момент на поверхности 104 отверстий 96, обращенные в направлении по часовой стрелке, на первом конце 72 выходного вала 50, в результате чего выходной вал 50 поворачивается, тем самым передавая крутящий момент на приводную часть через кольцевую шестерню 48. Выходной вал 50 поворачивается с той же скоростью, что и входной вал 56, таким образом, между этими двумя валами отсутствует какой-либо относительный поворот.
На фиг. 8А проиллюстрировано, каким образом крутящий момент передается между входным и выходным валами 56, 50 устройства для ограничения крутящего момента, когда приводной вал 26 поворачивается в направлении по часовой стрелке по фиг. 5 и 6.
В этом режиме функционирования поверхности 102, обращенные в направлении по часовой стрелке, отверстий 94 на первом конце 72 входного вала 56 передают крутящий момент на первый соединительный стержень 78. Этот крутящий момент затем передается на первый конец 82 пружины 80 кручения через пружину 80 кручения на второй конец 82 пружины 80 кручения, а оттуда на второй соединительный стержень 88. Второй соединительный стержень 90 затем передает крутящий момент на поверхности 108 отверстий 100, обращенные в направлении против часовой стрелки, на втором конце 74 выходного вала 50, в результате чего выходной вал 50 поворачивается, тем самым передавая крутящий момент на приводную часть через кольцевую шестерню 48. И в этом случае выходной вал 50 также поворачивается с той же скоростью, что и входной вал 56, таким образом, между этими двумя валами отсутствует какой-либо относительный поворот.
Для пружины 80 кручения устанавливают такую степень предварительного нагружения, чтобы во время нормального функционирования крутящий момент, передаваемый через пружину 80 кручения, не преодолевал предварительное нагружение. По существу, предварительное нагружение устанавливает минимальный параметр ограничения крутящего момента. В таком случае входной и выходной валы 56, 50 будут поворачиваться вместе с одинаковой скоростью, причем на привод приводного механизма будет передаваться требуемый крутящий момент. Однако в случае, например, заклинивания приводного механизма (это может произойти, если поверхность управления, к которой он присоединен, заклинена), выходной вал 50 перестанет поворачиваться или по меньшей мере будет поворачиваться медленнее. Это приведет к тому, что предварительное нагружение пружины 80 кручения будет преодолено. Как схематично показано на фиг. 7В и 8В, это приведет к тому, что пружина кручения будет поворачивать первый и второй соединительные стержни 88, 90 относительно друг друга, обуславливая относительный поворот входного и выходного валов 56, 50 относительно друг друга. При возникновении относительного перемещения между этими валами 56, 50 роликовые элементы 60 в заклинивающем механизме будут вытеснены кверху наклонных участков 64 на поверхности 58 для приема ролика входного вала 51 зубцами 68 выходного вала 50, таким образом, переводя роликовые элементы 60 в прижатое положение соприкосновения со статическим кольцом 66 корпуса 24, тем самым останавливая поворот входного вала 51. Затем крутящий момент по существу поглощается в кольцевой неподвижной конструкции 61, а не передается на приводной механизм, для предотвращения повреждения приводного механизма.
Из-за симметричной конфигурации наклонных участков 64 устройство будет работать с одной и той же степенью относительного углового смещения, независимо от направления поворота входного вала 51.
Назначение устройства 24 для ограничения крутящего момента состоит в максимально быстром срабатывании в случае возникновения неисправности для предотвращения повреждения приводного механизма или компонента, на который он установлен. Величина крутящего момента, с которой будет срабатывать устройство 24 для ограничения крутящего момента, определяется коэффициентом упругости при кручении пружины 80 кручения и степенью предварительного нагружения. В вышеописанном варианте осуществления заклинивающий механизм 78 активируется, когда относительное поворотное движение входного и выходного валов 56, 50 достигает приблизительно 5°. В вариантах осуществления настоящего изобретения соотношение минимального настроенного крутящего момента, определяемого предварительным нагружением пружины кручения, и крутящего момента, при котором срабатывает заклинивающий механизм, может составлять в диапазоне 1:1,08.
Следует отметить, что если устройство для ограничения крутящего момента реализовано в системе, показанной на фиг. 1, в которой множество приводов соединено последовательно, как только срабатывает устройство 24 для ограничения крутящего момента, произойдет остановка поворота всей линии передачи мощности, поскольку все передаточные валы 10 привода перестанут поворачиваться. Желательно останавливать все приводные механизмы, поскольку это позволит не допустить асимметричное отклонение предкрылков, которое является нежелательным.
Следует отметить, что вариант осуществления, описанный в данном документе, имеет ряд преимуществ. В связи с расположением пружины 80 кручения вокруг входного и выходного валов 56, 58 конструкция является относительно компактной, что является преимуществом в ограниченных пространствах эксплуатации, таких как крылья воздушного судна. Кроме того, может быть легко установлена требуемая степень предварительного нагружения пружины 80 кручения.
Вышеприведенное описание представляет лишь один из иллюстративных вариантов осуществления и понятно, что могут быть предложены изменения этого варианта осуществления без отступления от объема изобретения. Например, хотя выходной вал 50 устройства для ограничения крутящего момента был показан в виде одного компонента, он может быть выполнен в виде множества компонентов, соответствующим образом соединенных или объединенных друг с другом. Расположение отверстий 86 на конце 84 пружины может отличаться для возможности достижения требуемой дискретности предварительного нагружения пружины. Комбинация отверстий 86 также может быть предусмотрена на обоих концах 82 и 84 пружины для дополнительного расширения возможностей по настройке предварительного нагружения. Хотя эти отверстия 86 изображены в виде отверстий, они могут иметь форму пазов.
Кроме того, хотя была описана прорезная пружина 80 кручения, могут быть использованы другие пружины кручения, например, спиралевидные пружины. Прорезные пружины кручения, однако, могут быть предпочтительными по той причине, что они облегчают обеспечение совмещения концов пружины для приема соединительных стержней.
Кроме того, хотя устройство для ограничения крутящего момента было раскрыто как применяемое в приводном механизме воздушного судна, оно, конечно же, может быть использовано и в других областях применения.