УПРУГИЙ ПОДВЕС ГИРОСКОПА
ELASTIC GIMBAL

Изобретение относится к области гироскопической техники, а именно к упругим подвесам чувствительных элементов динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ), и может быть использовано в любых датчиках первичной информации.
В современных динамически настраиваемых гироскопах обязательной составной частью является упругий подвес (УП), соединяющий чувствительный элемент с карданным узлом.
Как известно, чувствительный элемент ДНГ гироскопов совершает непрерывное колебание на своей резонансной частоте, набирая за время эксплуатации прибора огромное количество циклов деформаций.
Снижают точность ДНГ угловые и линейные смещения упругих элементов, что приводит к перераспределению реакций в подвесе, смещению центра масс подвеса и появлению возмущающих моментов.
Наибольшее влияние на точность ДНГ оказывают следующие технологические дефекты при изготовлении:
- поворот упругой перемычки вокруг ее продольной оси;
- боковое смещение упругих перемычек;
- смещение в продольном направлении;
- деформации скручивания перемычек при закреплении (для немонолитных конструкций) в УП (Пельпор Д.С. и др. Динамически настраиваемые гироскопы: Теория и конструкция. - М.: Машиностроение, 1988 г., сс.128-155).
Известен упругий подвес динамически настраиваемого гироскопа, содержащий две втулки с упругими перемычками, которые образованы двумя рядом расположенными отверстиями (патент США N 3700289, НКИ 308-2А, 1970), который получил наибольшее распространение в приборостроении за простоту, надежность и технологичность.
Недостатком известного подвеса является большая величина неравножесткости подвеса при различных перемещениях по осям нечувствительности и вызванная этим недостаточная точность гироскопа.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство по патенту (RU №2064662, G01C 19/22, 1996 г.). В УП динамически настраиваемого гироскопа упругие перемычки в одной из частей УП, образующих подвес, повернуты на угол 15-30 град от направления, перпендикулярного перемычкам в другой части УП, а подвижная и неподвижная части УП выполнены с выступами для взаимной фиксации. Упругие перемычки образованы двумя рядом расположенными отверстиями (фиг.1,a). На каждой стороне подвижной и неподвижной части УП две перемычки направлены под углом друг к другу.
Недостатком такого устройства является сложность технологического изготовления и недостаточно высокая максимальная нагрузка по осям нечувствительности.
Основными характеристиками упругого подвеса являются:
- минимальная жесткость по оси чувствительности,
- максимальная жесткость по осям нечувствительности,
- максимальная величина допустимой нагрузки при механических воздействиях.
Очень важен при разработке ДНГ выбор конструктивной схемы упругих опор и их упругих элементов. Форма сечения балки УП обычно прямоугольная.
Для сравнения характеристик подвесов по максимальной жесткости по осям нечувствительности и максимальной величине допустимой нагрузки при механических воздействиях необходимо, чтобы УП имели одинаковые длину, ширину и жесткость на продольный изгиб.
Задачей изобретения является уменьшение чувствительности к внешним воздействиям и увеличение диапазона воздействий на ДНГ при сохранении его точности и надежности.
Поставленная цель достигается тем, что в упругом подвесе гироскопа, содержащем подвижную и неподвижную части упругого подвеса, соединенные упругими перемычками, выполненными в виде балок, две линии заделки балок, находящихся на подвижной и неподвижной частях упругого подвеса, балки выходят из центра фигуры, образованной линиями заделки балок, к линиям заделки балок и находятся под углом друг к другу, балки могут иметь радиусы скругления в местах их заделки, число балок m по крайней мере 5.
0
Кроме того, в упругом подвесе сечение балки на протяжении рабочей длины остается постоянным или изменяется не более чем на 25%, жесткость на продольный изгиб с m-балочного упругого подвеса с одинаковыми балками с постоянным сечением, находящимися под равными углами друг к другу, определяется из уравнения:
максимальное количество балок m-балочного упругого подвеса с одинаковыми балками, находящимися под равными углами друг к другу, находят из следующего неравенства:
оптимальное количество балок m-балочного упругого подвеса с одинаковыми балками, находящимися под равными углами друг к другу, для увеличенной максимальной нагрузки находят по следующей формуле:
где E - модуль упругости материала балки;
b - ширина балки;
0
c - жесткость на продольный изгиб;
L - длина балки.
УП с несколькими балками (фиг.1,б, в, г, д, е, ж) представляет собой две линии заделки балок, например, в виде полуокружностей, находящихся на подвижной и неподвижной частях УП и соединенных балками, выходящими из центра фигуры, образованной линиями заделки балок, к линиям заделки балок. Нагрузки, возникающие при механическом воздействии, распределяются между несколькими балками, что позволяет увеличить жесткость и величину максимальной нагрузки УП по осям нечувствительности при сохранении постоянной жесткости по оси чувствительности.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображены варианты конфигурации упругого подвеса, где:
а - УП с балкой переменного сечения;
б - четырехбалочный УП;
в - пятибалочный УП;
г - шестибалочный УП;
д - семибалочный УП;
е - восьмибалочный УП с радиусом скругления в местах заделки балки;
ж - УП с балками различного сечения, рабочей длины и различными углами между балками.
На фиг.2 - схема расположения балки при различных видах деформации многобалочного УП, где:
а - схема расположения балки в состоянии покоя;
б - схема расположения балки при продольном изгибе;
в - схема расположения балки при поперечном изгибе;
г - схема расположения балки при сжатии.
На фиг.3 - графики соотношения жесткостей упругого подвеса различной конфигурации, где:
а - соотношение жесткостей УП на поперечный изгиб;
б - соотношение жесткостей УП на кручение;
в - соотношение жесткостей УП на сжатие;
г - соотношение жесткостей УП на продольный сдвиг;
д - соотношение жесткостей УП на поперечный сдвиг.
На фиг.4 - графики отношения жесткостей осей упругого подвеса различной конфигурации, где:
а - отношение жесткостей осей УП на поперечный изгиб;
б - отношение жесткостей осей УП на кручение;
в - отношение жесткостей осей УП на сжатие;
г - отношение жесткостей осей УП на продольный сдвиг;
д - отношение жесткостей осей УП на поперечный сдвиг.
На фиг.5 - графики отношения максимальных внутренних напряжений в балках УП и осей УП с балками переменного сечения и несколькими балками, где:
а - отношение максимальных внутренних напряжений в балках УП с балками переменного сечения и несколькими балками при максимальном числе балок в линии заделки, равном 1000;
б - отношение максимальных внутренних напряжений в балках УП с балками переменного сечения и несколькими балками при максимальном числе балок в линии заделки, равном 10;
в - отношение максимальных внутренних напряжений в балках осей УП с балками переменного сечения и несколькими балками при максимальном числе балок в линии заделки, равном 1000;
г - отношение максимальных внутренних напряжений в балках осей УП с балками переменного сечения и несколькими балками при максимальном числе балок в линии заделки, равном 10.
Упругий подвес (Фиг.1,б, в, г, д, е, ж) состоит из двух линий заделки балок, находящихся на подвижной 1 и неподвижной 2 частях УП и соединенных балками 3, которые выходят из центра фигуры, образованной линиями заделки балок. Нагрузки, возникающие при механическом воздействии, распределяются между несколькими балками, что позволяет увеличить жесткость и величину максимальной нагрузки УП по осям нечувствительности при сохранении постоянной жесткости по оси чувствительности. Для упрощения тех. процесса изготовления и снижения напряжения в местах соединения балки с линиями заделки балок, находящихся на подвижной 1 и неподвижной 2 частях УП, и между балками 3 могут быть выполнены радиусы скругления (фиг.1,е).
Число балок, соединяющих центральную и подвижную часть УП, и число балок, соединяющих центральную и неподвижную часть УП, рабочая длина балок и угол наклона между балками такой конструкции УП могут быть различными. Но при такой конструкции УП (фиг.1,в, д, ж) величина нагрузки в балках распределяется неравномерно, поэтому целесообразно рассматривать в дальнейшем конструкцию УП с одинаковым числом балок n, где n - число балок, соединяющих центр УП с одной из линий заделки балок (), на каждой из линий заделки, одинаковой рабочей длиной балки и одинаковыми углами между балками, как показано на фиг.1,б, г, е. Далее рассматривается УП данной конструкции.
Для более равномерного распределения нагрузки сечение рабочей длины балки (Г) может меняться в пределах до 25%, для достижения максимальной жесткости по осям нечувствительности сечение балки по рабочей длине должно оставаться постоянным, и соответственно, далее будем рассматривать УП с балкой постоянного сечения и без радиусов скругления.
0
Для сравнения характеристик подвесов по максимальной жесткости по осям нечувствительности и максимальной величине допустимой нагрузки при механических воздействиях необходимо, чтобы УП имели одинаковые длину (L), ширину (b) и жесткость на продольный изгиб (c).
Если рассматривать величины углов отклонений УП β, φ и ξ как предельно малые, то при продольном изгибе УП угол наклона балки равен (фиг.2,б):
при поперечном изгибе УП (фиг.2,в) угол поперечного изгиба балки равен:
i
i
φ=φcos(α),
угол кручения балки равен:
i
i
ξ=φsin(α),
при кручении УП угол поперечного изгиба балки равен:
i
i
φ=φsin(α),
угол кручения балки равен:
i
i
ξ=φcos(α).
Аналогично, при δ, γ и σ<<L, при сжатии УП (фиг.2,д) величина сжатия балки равна:
i
i
δ=δcos(α),
величина продольного сдвига балки равна:
i
i
γ=δsin(α),
при продольном сдвиге УП величина продольного сдвига балки равна:
i
i
γ=γcos(α),
величина сжатия балки равна
i
i
δ=γsin(α),
при поперечном сдвиге величина поперечного сдвига балки равна
i
σ=σ.
Исходя из выражения (4) толщина балки n-балочного УП (фиг.1,г) определяется из уравнения:
где Е - модуль упругости материала балки;
b - ширина балки;
h - толщина балки;
L - длина балки;
откуда:
где ,
0
Максимальное число балок при c→0 определяется из неравенства
0
Поскольку при c→0 ctg(π/2n)→2n/π неравенство (5) примет вид:
где
откуда:
Из приведенных выше уравнений следует, что жесткости n-балочного УП при различных воздействиях, равны:
- при продольном изгибе,
- при поперечном изгибе,
- при кручении,
- при сжатии,
- при продольном сдвиге,
- при поперечном сдвиге.
Поскольку на одной оси УП, как правило, находятся два УП, то коэффициенты жесткости оси УП равны:
β
β
G=2g
- жесткость оси при продольном изгибе;
φ
φ
ξ
δ
γ
2
2
G=2(cos(θ/2)g+sin(θ/2)g+cos(θ/2)rg+sin(θ/2)rg)
- жесткость оси при поперечном изгибе, где θ - угол между осями симметрии УП в оси (как правило, θ=0), r - половина расстояния между УП (как правило, r>L);
ξ
ξ
φ
γ
δ
2
2
G=2(cos(θ/2)g+sin(θ/2)g+cos(θ/2)rg+sin(θ/2)rg)
- жесткость оси при кручении;
δ
δ
γ
2
2
G=2(cos(θ/2)rg+sin(θ/2)rg)
- жесткость оси при сжатии;
γ
γ
δ
2
2
G=2(cos(θ/2)rg+sin(θ/2)rg)
- жесткость оси при продольном сдвиге;
λ
λ
G=2g
- жесткость оси при поперечном сдвиге.
Зависимости жесткостей оси УП при различном количестве балок в УП и для оси УП с балкой переменного сечения показаны на фигуре 4 (G0 - жесткость для оси с балками переменного сечения, где θ=90°, при котором оси УП с балкой переменного сечения имеет одинаковую жесткость по осям нечувствительности).
0
0
Напряжение в балке при нагрузке M (F) определяется исходя из выражения:
оп
где F - сила реакции опоры, возникающая в балке,
б
S - площадь балки.
0
0
0
Поскольку при нагрузке M (F), действующей на УП, возникает деформация, равная M/g, то выражение (6) примет вид:
- при изгибе или кручении,
б
- при сжатии или сдвиге, где g - жесткость балки, l - плечо момента.
Учитывая, что балка находится под углом α к линии действия нагрузки, уравнения (7) и (8) примут вид:
- при сжатии или сдвиге, или:
- при поперечном изгибе или кручении. Зависимости внутреннего напряжения в балке показаны на фиг.5,а, б, из которой видно, что максимальная величина внутреннего напряжения возникает в балке, находящейся вдоль линии воздействия.
Зависимости максимальных напряжений в балках УП, полученные по (7)-(10), от числа балок показаны на фиг.5,в, г. Из данных зависимостей видно, что величина напряжения в балке, расположенной вдоль линии воздействия, при сжатии уменьшается с увеличением числа балок или при изгибе имеет минимум, если число балок удовлетворяет выражению:
Максимальная нагрузка на УП определяется исходя из величины предельного внутреннего напряжения гибкости материала (если внутреннее напряжение выше предельного внутреннего напряжения гибкости, происходит необратимая деформация УП). Из выражений (5)-(8) видно, что величина максимальной нагрузки обратно пропорциональна отношению внутренних напряжений, возникающих при одинаковом воздействии, как показано на фиг.5.
max
опт
Таким образом, число балок оси упругого подвеса, состоящей из пары УП на расстоянии, должна составлять n по (2), число балок упругого подвеса, состоящего из одного УП, должна составлять n по (3). Это позволит увеличить допустимые нагрузки для датчиков первичной информации, что приведет к уменьшению чувствительности к внешним воздействиям и увеличению диапазона воздействий на датчики первичной информации при сохранении их точности и надежности.