УПРУГАЯ ПОДШИПНИКОВАЯ ОПОРА
RESILIENT BEARING ASSY

Изобретение относится к области приборостроения, измерительной и информационной техники, а именно к устройствам прецизионного механического позиционирования систем автоматического управления (САУ), и может быть использовано в системах наведения линии визирования оптических приборов.
Основным требованием, предъявляемым к системам наведения оптико-электронных устройств, является высокая точность слежения и позиционирования. Как следствие этого требования автоматическая система управления должна обладать следующими характеристиками:
- высокой линейностью контуров управления и измерения,
- низким уровнем шума в цепях измерения,
- отсутствием нелинейностей типа «сухое трение», люфт, насыщение и др. в контуре управления и измерения.
Одним из трудноустраняемых типов нелинейности считается «сухое трение». Для вращательного движения на сегодняшний день с целью устранения трения применяются сложные и дорогие масляные или магнитные опоры.
Для использования в автоматической системе позиционирования и наведения опора должна иметь достаточную жесткость в ортогональных направлениях для того, чтобы радиально направленные колебания оси исполнительного органа (ИО) не приводили к искажению показаний датчиков, расположенных на той же оси. Кроме того, опора должна обладать торсионной упругостью при передаче момента вращения вокруг рабочей оси.
Для снижения передачи вибрации через опоры известен подшипниковый демпфер с пружинным уплотнителем по патенту СА 2693625 А1, опубликованному 27.08.2010 г., содержащий корпус, подшипник и упругий пустотелый элемент, установленный между подшипниковой опорой и корпусом.
Устройство обеспечивает демпфирование в радиальном направлении, однако механическая связь между корпусом и подшипником, обеспеченная прижимным кольцом, добавляет фрикционную составляющую к упругой торсионной передаче момента между подшипником и корпусом, что недопустимо при установке приборов в системах автоматического управления.
Известна также упругодемпфирующая опора по патенту RU 2289169C1, опубликованному 10.12.2006 г., содержащая подшипниковый узел с валом во втулке и упругий элемент, расположенный между втулкой и корпусом и выполненный в виде двух упругофиксирующихся блоков, расположенных в зазоре между корпусом и втулкой подшипникового узла. Каждый блок состоит из упругой втулки и фиксирующего элемента, выполненного в виде цанговой четырехлепестковой втулки, входящей в упругую втулку, фиксируемую распорным стержнем.
Изобретением обеспечивается демпфирование в радиальном направлении, но механическая связь между корпусом и подшипником, обусловленная фиксирующей втулкой, добавляет фрикционную составляющую к упругой торсионной передаче момента между подшипником и корпусом.
Известна опора упругодемпфирующая, предназначенная для снижения виброакустической активности элементов в опорах по патенту RU 2289170 C1, опубликованному 10.12.2006, которая по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению и содержит корпус, подшипниковый узел с валом во втулке и упругий элемент, расположенный между втулкой и корпусом. Упругий элемент выполнен в виде двух упругофиксирующихся блоков, расположенных в зазоре между корпусом и втулкой подшипникового узла. Каждый блок состоит из двух упругих втулок, распложенных по обе стороны фасонного отверстия корпуса, и фиксирующего элемента в виде упругого стержня.
Известная опора обеспечивает упругую передачу момента, однако для использования в системах автоматического управления необходима дополнительная жесткость в ортогональных направлениях.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в конструктивной доработке упругой опоры с целью обеспечения следующих требований:
- достаточной жесткости в трех ортогональных направлениях (два радиальных и одно осевое) для исключения радиально-направленных колебаний оси ИО, которые приводят к искажению показаний датчиков, расположенных на той же оси,
- упругой передаче момента от ИО к подшипнику.
Для решения поставленной задачи в упругой подшипниковой опоре, содержащей подшипник, на котором установлены внутренне и внешнее кольца торсионной передачи, упругий элемент,
- по периметру внутреннего и внешнего колец торсионной передачи установлены штифты,
- упругий элемент выполнен в виде пружинной ленты,
- пружинная лента установлена с натягом зигзагообразно, поочередно зацепляя штифты и связывая кольца торсионной передачи, что обеспечивает необходимую жесткость опоры в радиальном и осевом направлениях,
- внутреннее кольцо опоры жестко установлено на подшипнике,
- штифты выполнены из жесткого материала,
- штифты установлены соосно друг другу и внутреннему и внешнему кольцам торсионной передачи,
- пружинная лента выполнена металлической.
Установленный между наружным кольцом подшипника и наружным кольцом опоры упругий элемент в виде металлической пружинной ленты, которая зигзагообразно стягивает между собой наружное кольцо и внутреннее кольцо опоры, обеспечивает требуемую торсионную упругость, сохраняя при этом достаточную жесткость в радиальных и осевом направлениях. Для обеспечения параллельности (соосности) колец, а также жесткости в осевом направлении пружинная лента стягивает кольца, опираясь на соосные цилиндрические штифты, расположенные по периметру наружного и внутреннего колец опоры.
Использование изобретения обеспечивает следующий технический результат:
- нелинейность типа «сухое трение» подшипника преобразуется в момент вращения линейно зависящего от величины поворота наружного кольца опоры относительно подшипника, такое преобразование при соответствующем подборе коэффициентов регулятора замкнутой САУ позволяет получить более высокую точность отработки задающего воздействия и избежать при этом такого негативного явления, как установившиеся автоколебания,
- демпфирование торсионной (крутильной) вибрации.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - вид спереди упругой подшипниковой опоры,
на фиг.2 - разрез по оси на фиг.1.
Упругая подшипниковая опора содержит подшипник 1, на котором жестко установлено внутреннее кольцо 2 торсионной передачи с выполненными на нем по периметру, соосно с кольцами подшипника, металлическими штифтами 3. Внешнее кольцо 4 торсионной передачи с установленными по периметру штифтами 3 связано с внутренним кольцом 2 упругим элементом в виде пружинной металлической ленты 5. Пружинная металлическая лента 5 установлена с натягом зигзагообразно, поочередно зацепляя штифты 3, она связывает кольца торсионной передачи, обеспечивая таким образом необходимую жесткость опоры в радиальном и осевом направлениях. Штифты 3 установлены соосно друг другу, а также к внутреннему 2 и внешнему 4 кольцам торсионной передачи.
Работает устройство следующим образом.
При повороте ИО на внешнее кольцо 4 упругой опоры действует момент вращения, который через упругую металлическую ленту 5 передается через кольцо 2 на подшипник 1. Пока момент «сухого трения» подшипника превышает момент вращения, создаваемый упругой лентой, на внешнее кольцо 4 опоры действует реакция - момент, величина которого пропорциональна величине поворота ОИ относительно подшипника. Как только момент упругой передачи превышает момент «сухого трения», подшипник начинает движение (поворот). Поворот подшипника продолжается до тех пор, пока момент упругой передачи не уравновесится моментом подшипника. Максимальная величина угла между внешним кольцом 4 и подшипником 1 определяется коэффициентом жесткости упругой передачи и моментом «сухого трения» подшипника.
Таким образом, при смене направления вращения на ось ИО действует момент, линейно меняющийся по величине, а не ступенчато, как это происходит при наличии «сухого трения».
Предлагаемое конструктивное решение упругой подшипниковой опоры при использовании в САУ позволяет повысить точность позиционирования и слежения, при этом обеспечивается достаточная жесткость конструкции в опорах в ортогональных направлениях. Кроме того, использование такой упругой опоры снижает негативное действие крутильной вибрации, передаваемой на ИО через опоры.