МАХОВИК С ИНЕРЦИОННЫМИ ДЕМПФЕРАМИ
FLYWHEEL WITH INERTIA DAMPERS

Настоящее изобретение относится к устройству в виде маховика для стабилизации положения космического аппарата, в частности, для управления положением спутников.
Такие маховики или, соответственно, реактивные колеса известны для  управления ориентацией спутников. Маховик приводится во вращение посредством привода таким образом, чтобы за счет гироскопического эффекта мог достигаться стабилизирующий эффект. Для достижения оптимального гироскопического эффекта целесообразно располагать максимально возможную часть массы маховика максимально далеко снаружи, чтобы эта масса могла вращаться вокруг оси вращения маховика с максимально возможным диаметром.
Такое устройство в виде маховика известно из DE 3921765 А1, которое, аналогично колесу велосипеда, имеет внутренний статор, расположенный снаружи ротор и ступицу, удерживающую ротор на статоре с возможностью вращения посредством спиц. Ступица установлена с возможностью вращения на статоре посредством двух подшипников качения, которые могут быть выполнены в виде неподвижных или плавающих подшипников.
Такие маховики тем эффективнее, чем меньше их трение при функционировании. Это трение, среди прочего, определяется размером подшипникового узла и его предварительным напряжением. Нагрузка на подшипник в случае запуска (запуска ракеты, несущей спутник) определяет размер подшипникового узла, поскольку он должен выдерживать нагрузку во время запуска (ускорения, вибрации) без каких-либо повреждений. Возможная нагрузка на подшипник зависит от ракеты и резонансов маховика, поскольку возбуждение колебаний может привести к резонансному росту нагрузки на подшипник.
Таким образом, может быть целесообразным принятие мер предосторожности, посредством которых может быть предотвращен такой резонансный рост и связанные с ним высокие нагрузки на подшипник.
В DE 3207609 A1 описан маховик, в котором масса маховика разделена на множество отдельных масс, соединенных со ступицей посредством отдельных спиц. В результате этого обеспечиваются ограничение и демпфирование отклонений в осевом направлении.
Следовательно, в основе настоящего изобретение лежит задача создания маховика для стабилизации положения космического аппарата, в котором обеспечена возможность воздействия на нежелательные резонансные колебания, в частности их уменьшения.
Указанная задача решается с помощью маховика, имеющего признаки, указанные в п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предложен маховик для стабилизации положения космического аппарата, содержащий ступичный узел для крепления маховика, кольцо маховика, которое окружает ступичный узел снаружи по периметру на расстоянии от него, опорное (несущее) устройство для удержания кольца маховика на ступичном узле, и устройство демпфирования колебаний с инерционным демпфирующим устройством (устройством с демпферными массами, Tilgermasseneinrichtung), которое, относительно оси вращения маховика, выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении относительно кольца маховика.
Конструкция маховика, содержащего ступичный узел, кольцо маховика и опорное устройство является по существу известной. Опорное устройство может, в частности, иметь спицы, которые проходят в радиальном направлении между ступичным узлом и кольцом маховика.
Ступичный узел используется для крепления маховика надлежащим образом, например, на подшипниковом узле, посредством которого маховик установлен с возможностью вращения на статоре.
Опорное устройство, которое в свою очередь, целесообразным образом удерживает кольцо маховика на своей радиально внешней поверхности, проходит в радиальном направлении наружу от ступичного узла. Кольцо маховика связывает фактическую массу, которая приводится во вращение для стабилизации положения, чтобы таким образом достичь требуемого гироскопического эффекта.
Подшипниковый узел, примыкающий к ступичному узлу, или, соответственно, статор, удерживающий подшипниковый узел, не являются частью маховика.
Ступичный узел, опорное устройство и кольцо маховика должны быть жестко соединены друг с другом. В частности, может быть целесообразным изготовление ступичного устройства, опорного устройства и кольца маховика в виде единой детали, например, в виде обработанной литой детали. Также можно получить ступичный узел, опорное устройство и кольцо маховика из металлической заготовки посредством обработки резанием. В качестве материала подходит сталь, особенно нержавеющая сталь, а также алюминий. Внешний диаметр может составлять от 80 мм до 400 мм, причем возможны также большие или меньшие размеры.
Устройство демпфирования колебаний содержит инерционное демпфирующее устройство, которое выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения, т.е. с колебаниями, в осевом направлении относительно кольца маховика. Осевая подвижность инерционного демпфирующего устройства должна быть возможной по меньшей мере в незначительной степени, т.е. с небольшой амплитудой. При этом оказалось, что может быть достаточной амплитуда менее 5 мм, предпочтительно даже менее 1 мм, например, в диапазоне от 0,2 до 0,3 мм.
В частности, во время запуска ракеты маховик, особенно внешнее кольцо маховика, может подвергаться опасным резонансным колебаниям из-за соответствующего колебательного воздействия, которое может привести к чрезмерной нагрузке на подшипник, что, в итоге, может даже привести к разрушению подшипникового устройства, удерживающего маховик. Благодаря соответствующей настройке инерционного демпфирующего устройства является возможным, что инерционное демпфирующее устройство, которое выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, создает противоколебание, чтобы тем самым уменьшить, т.е. "демпфировать", сильное колебание кольца маховика или, соответственно, связанных с ним дополнительных компонентов (в частности, опорного устройства). Таким образом может быть достигнуто очень эффективное демпфирование колебаний.
Инерционное демпфирующее устройство может быть закреплено на кольце маховика и/или на опорном устройстве с помощью крепежного устройства, причем крепежное устройство выполнено таким образом, что оно обеспечивает возможность осевой подвижности инерционного демпфирующего устройства.
Таким образом, крепежное устройство может быть частью устройства демпфирования колебаний и обеспечивать требуемую колебательную осевую подвижность инерционного демпфирующего устройства.
Кроме того, при необходимости, является возможным, что крепежное устройство также обеспечивает радиальную степень свободы для инерционного демпфирующего устройства. Однако перемещения в радиальном направлении могут быть значительно меньше по сравнению с осевым перемещением.
Крепежное устройство может иметь упругую деформируемость по меньшей мере в одной области, причем осевая подвижность инерционного демпфирующего устройства может быть достигнута за счет упругой деформируемости крепежного устройства. Это означает, что крепежное устройство может иметь области различной жесткости или, соответственно,   упругой деформируемости. Упругая деформируемость (более низкая жесткость) должна быть больше деформируемости других компонентов маховика, в частности, кольца маховика или опорного устройства (например, спиц). Области крепежного устройства с жесткой конструкцией служат для фактического крепления инерционного демпфирующего устройства, тогда как области повышенной упругой деформируемости служат для обеспечения возможности относительного перемещения инерционного демпфирующего устройства.
Инерционное демпфирующее устройство может иметь множество инерционных демпфирующих элементов, которые распределены по периметру на расстоянии друг от друга и удерживаются с помощью крепежного устройства. Отдельные инерционные демпфирующие элементы могут быть, например, выполнены в виде цилиндрических, бочкообразных или прямоугольных стальных элементов и иметь массу в диапазоне, например, от 20 г до 150 г, в частности в диапазоне от 40 г до 100 г, например, приблизительно 60 г.
Инерционные демпфирующие элементы должны удерживаться крепежным устройством надлежащим образом. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы инерционные демпфирующие элементы упруго удерживались крепежным устройством для обеспечения подвижности или, соответственно, раскачивания вверх.
В частности, инерционные демпфирующие элементы должны быть подвижными (с колебаниями) в осевом направлении относительно кольца маховика. Кроме того, может быть целесообразным, когда крепежное устройство также обеспечивает радиальную подвижность (радиальную степень свободы) инерционных демпфирующих элементов, при этом перемещения в радиальном направлении будут, однако, значительно меньше, чем перемещения в осевом направлении.
В одном варианте осуществления крепежное устройство может иметь два демпфирующих кольца, которые расположены в осевом направлении относительно друг друга таким образом, что опорное устройство расположено по меньшей мере частично между ними. В этом случае демпфирующие кольца могут быть прикреплены друг к другу таким образом, чтобы опорное устройство было расположено между обоими демпфирующими кольцами, если смотреть в осевом направлении.
Таким образом, два демпфирующих кольца закреплены на опорном устройстве и могут, например, зажимать опорное устройство между собой. Демпфирующие кольца, в свою очередь, служат в качестве крепежного устройства для удержания инерционного демпфирующего устройства.
Опорное устройство может быть, например, образовано множеством спиц, которые проходят радиально между ступичным узлом и кольцом маховика. Оба демпфирующих кольца при этом заключают между собой, соответственно, область спиц.
Количество спиц должно быть нечетным и предпочтительно соответствовать простому числу. В результате этого в резонансном режиме не возникают стоячие волны и дополнительные нежелательные собственные перемещения.
Инерционное демпфирующее устройство может, в частности, иметь множество инерционных демпфирующих элементов, при этом инерционные демпфирующие элементы удерживаются между демпфирующими кольцами и могут быть расположены с распределением вдоль окружного направления демпфирующих колец. При этом демпфирующие кольца вдоль их периметра могут иметь области с более высокой упругостью (более низкой жесткостью) и более низкой упругостью (более высокой жесткостью), причем инерционные демпферы (демпферные массы)  закреплены в областях с более высокой упругостью. Таким образом, области с более высокой упругостью допускают перемещение отдельных инерционных демпфирующих элементов требуемым образом, так что инерционные демпфирующие элементы могут совершать осевые колебания относительно кольца маховика или, соответственно, остальной части маховика.
Области с более высокой и более низкой упругостью могут быть получены за счет того, что демпфирующие кольца выполнены местами более тонкими или имеют местами дополнительные усиления жесткости (для достижения большей жесткости).
Опорное устройство может иметь множество спиц, распределенных по периметру, которые проходят радиально между ступичным узлом и кольцом маховика. При этом инерционные демпфирующие элементы могут быть расположены в соответствующих промежутках между спицами и удерживаться демпфирующими кольцами. В частности, инерционные демпфирующие элементы могут удерживаться в окружном направлении по центру между спицами. Соответственно, количество инерционных демпфирующих элементов может быть равно количеству спиц.
Для достижения требуемого эффекта демпфирования колебаний является целесообразным, если основной резонанс инерционного демпфирующего устройства может настраиваться таким образом, чтобы он по существу соответствовал основному резонансу кольца маховика или, соответственно, всего маховика, причем основной резонанс инерционного демпфирующего устройства может настраиваться посредством согласования веса инерционных демпфирующих элементов и упругой деформируемости крепежного устройства.
Может быть предусмотрено центрирующее устройство для центрирования устройства демпфирования колебаний относительно кольца маховика. Центрирующее устройство может, например, иметь подходящие центрирующие ролики, которые прилегают к внутреннему диаметру кольца маховика и служат для концентрического размещения устройства демпфирования колебаний и, таким образом, уменьшения дисбаланса.
В одном из вариантов с необязательным дополнением, который может обеспечивать дополнительный эффект демпфирования колебаний, демпфирующие кольца могут быть прикреплены друг к другу таким образом, чтобы обеспечивалась возможность относительного перемещения между демпфирующими кольцами, с одной стороны, и опорным устройством, с другой стороны. Таким образом, должно быть возможным прикрепление демпфирующих колец друг к другу, например, их привинчивание друг к другу, и, тем самым, зажимание опорного устройства (например, спиц) между демпфирующими кольцами. При поддержании определенной заданной силы предварительного натяжения между двумя демпфирующими кольцами может быть обеспечена возможность достижения определенного трения между демпфирующими кольцами и опорным устройством.
В одном варианте в области соответствующей поверхности контакта демпфирующих колец с опорным устройством может быть предусмотрена фрикционная подкладка по меньшей мере частично между соответствующим демпфирующим кольцом и соответствующей областью опорного устройства.
Если демпфирующие кольца закреплены на опорном устройстве таким образом, что возможно относительное перемещение между демпфирующими кольцами и опорным устройством, эта желаемая подвижность может быть поддержана посредством вставки фрикционных подкладок. Фрикционные подкладки обеспечивают возможность заданного трения между демпфирующими кольцами и опорным устройством.
Например, фрикционные подкладки могут быть установлены на внешних концах спиц, которые служат в качестве опорного устройства, и зажаты демпфирующими кольцами. В случае слабого возбуждения колебаний, сжимающие усилия обеспечивают жесткую связь демпфирующих колец с перемещением массы маховика, в частности кольца маховика, и передачу всех перемещений на демпфирующие кольца. Это, в частности, относится к колебательным перемещениям с амплитудами в осевом направлении маховика.
Если возбуждается одна из основных мод массы маховика, то кольцо маховика раскачивается вверх относительно ступичного узла. Эти собственные моды соответствуют критическому случаю, и их амплитуда должна удерживаться как можно меньшей в случае резонанса. Как только амплитуда колебаний становится настолько большой, что превышается статическое трение в областях контакта демпфирующих колец, они начинают скользить относительно фрикционных подкладок. Таким образом, возникают две системы с различными резонансными частотами, которые перемещаются относительно друг друга.
Вновь вводимая кинетическая энергия рассеивается в виде теплоты трения.
Частота основного резонанса устройства демпфирования колебаний должна быть как можно точнее наложена на основной резонанс общей массы маховика. Согласование происходит, с одной стороны, за счет веса инерционных демпфирующих элементов (в частности, путем адаптации их размера) и за счет жесткости соединения инерционных демпфирующих элементов (например, путем адаптации поперечных сечений демпфирующих колец). Это согласование должно выполняться один раз для каждого типа массы маховика. Если проектируется новая масса маховика или, соответственно, новый тип массы маховика, то размер и вес инерционных демпферов должны быть спроектированы один раз с использованием моделирования методом конечных элементов (FEM). Благодаря резонансу крепежного устройства (например, демпфирующих колец) с инерционными демпфирующими элементами создается усиленное относительное перемещение и, как результат, обеспечивается рассеивание энергии, которое приводит к улучшенному демпфированию.
Эффект демпфирования колебаний может, с одной стороны, обеспечиваться инерционным демпфирующим устройством. Кроме того, при необходимости также возможно обеспечение дополнительного демпфирования колебаний за счет определенного трения в областях контакта между демпфирующими кольцами и опорным устройством (например, спицами).
Инерционные демпфирующие элементы и удерживающие их демпфирующие кольца согласованы таким образом, что инерционные демпфирующие элементы в вышеупомянутом случае резонанса колеблются противоположно раскачивающемуся в осевом направлении вверх кольцу маховика и, таким образом, поглощают или, соответственно, демпфируют колебание. В принципе, происходит смещение энергии от раскачивающегося вверх кольца маховика к раскачивающемуся вверх инерционному демпферу, который, так сказать, «противодействует ему».
Маховики такой конструкции могут иметь вес в диапазоне, например, от 100 г до приблизительно 20 кг. С помощью соответствующим образом выполненных маховиков может быть достигнут кинетический момент, например, вплоть до 100 Нм или даже вплоть до 150 Нм.
Эти и дополнительные преимущества и признаки пояснены подробнее ниже на основе примеров с использованием приложенных фигур, на которых показаны:
ФИГ. 1 - вид в перспективе маховика;
ФИГ. 2 - вид в разрезе маховика по ФИГ. 1;
ФИГ. 3 - вид сверху маховика по ФИГ. 1;
ФИГ. 4 - вид в разрезе по линии B-B на ФИГ. 3;
ФИГ. 5 - другой вид в разрезе;
ФИГ. 6 - вид в разрезе, поясняющий фрикционные подкладки;
ФИГ. 7 - вид в разрезе с инерционным демпфирующим элементом.
На ФИГ. 1-4 показан маховик в различных соответствующих видах.
Маховик имеет ступицу 1 с множеством отверстий 2, с помощью которых ступица 1 может быть закреплена на непоказанном подшипниковом узле. Посредством непоказанного подшипникового устройства маховик удерживается с возможностью вращения или, соответственно, приводится во вращение для достижения требуемого гироскопического эффекта.
Множество спиц 3, которые служат в качестве опорного устройства, проходят радиально наружу от ступицы 1. В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1, предусмотрено всего семь спиц 3. Как правило, рекомендуется, чтобы количество спиц было нечетным, предпочтительно даже соответствовало простому числу. Как показано на ФИГ. 3, спицы 3 выполнены относительно тонкими по весовым соображениям.
На своих концах спицы совместно удерживают периферийное кольцо 4 маховика по существу известным способом. Для стабилизации и точной установки на концах спиц могут быть предусмотрены соответствующие опорные элементы 5.
Описанная ранее конструкция соответствует стандартному маховику, известному из уровня техники.
В соответствии с настоящим изобретением, предусмотрены два периферийных демпфирующих кольца 6, которые расположены в осевом направлении относительно друг друга и заключают между собой спицы 3, точнее говоря, внешние концы спиц 3. Демпфирующие кольца 6 скреплены друг с другом с помощью винтов 7.
Посредством регулировки винтов 7 может регулироваться зажимающее усилие между демпфирующими кольцами 6 и спицами 3, в частности опорными элементами 5 спиц 3.
По центру между соответствующими концами спиц 3 и между демпфирующими кольцами 6 расположены инерционные демпфирующие элементы 8, которые закреплены на демпфирующих кольцах 6 посредством винтов 9. Инерционные демпфирующие элементы 8 образуют во взаимодействии с демпфирующими кольцами 6 устройство демпфирования колебаний. Инерционные демпфирующие элементы 8 выполнены в виде цилиндрических стальных тел и жестко удерживаются на демпфирующих кольцах 6 за счет многократного привинчивания винтами 9.
Кроме того, в непосредственной близости от инерционных демпфирующих элементов 8 предусмотрены центрирующие ролики 10, которые служат в качестве центрирующего устройства и которые закреплены сверху и снизу на соответствующих демпфирующих кольцах 6 посредством винтов 11. Центрирующие ролики 10 движутся по внутреннему периметру 12 кольца 4 маховика и служат для центрирования обоих демпфирующих колец 6 и удерживаемых ими инерционных демпфирующих элементов 8. При этом следует отметить, что инерционные демпфирующие элементы 8 привносят собой огромный вес, который может вызывать соответствующие центробежные силы при вращении маховика. Благодаря соответствующим центрирующим роликам 10 устройство демпфирования колебаний, состоящее из демпфирующих колец 6 и инерционных демпфирующих элементов 8, может быть надежно центрировано и стабилизировано.
По сравнению с другими конструктивными элементами демпфирующие кольца 6 выполнены очень тонкими и, таким образом, имеют более высокую упругую деформируемость или, соответственно, более низкую жесткость. В тех областях, в которых демпфирующие кольца 6 контактируют с концами спиц 3, на демпфирующих кольцах 6 с внешней стороны размещены соответствующие усиливающие элементы 13. Усиливающие элементы 13 могут быть выполнены как одно целое с соответствующим демпфирующим кольцом 6. Однако они могут быть дополнительно установлены на демпфирующем кольце 6, например, посредством склеивания или сварки.
Усиливающие элементы 13 служат для придания жесткости демпфирующим кольцам 6 в соответствующих областях.
Таким образом, демпфирующие кольца 6 имеют по периметру области с повышенной жесткостью или, соответственно, более низкой упругой деформируемостью (области на концах спиц 3 или в местах привинчивания винтов 7), а также области с повышенной упругой деформируемостью (более низкой жесткостью) в областях крепления инерционных демпфирующих элементов 8.
Во время запуска ракеты воздействие вибраций вызывает возвратно-поступательные осевые колебания кольца 4 маховика в осевом направлении (направлении X).
Благодаря низкой жесткости демпфирующих колец 6 или, соответственно, их повышенной упругой деформируемости, инерционные демпфирующие элементы 8 теперь, в свою очередь, способны совершать возвратно-поступательные осевые колебания в противоположном направлении, тем самым создавая колебательное перемещение, которое противодействует колебательному перемещению кольца 4 маховика. Благодаря наложению колебательных перемещений резонансный рост в целом может быть значительно уменьшен или в значительной степени исключен. Таким образом, могут быть значительно уменьшены вредные воздействия приведенного в резонанс маховика, в частности, на подшипниковый узел.
На ФИГ. 5 показана ранее описанная конструкция на дополнительном виде в частичном разрезе, причем разрез проходит вдоль демпфирующих колец 6 в окружном направлении. При этом в разрезе показаны только две спицы 3, в то время как другие элементы показаны без разреза.
Благодаря такому виду легко видеть, что демпфирующие кольца 6 выполнены усиленными и, следовательно, более жесткими в областях крепления на спицах 3, чем в областях, в которых закреплены инерционные демпфирующие элементы 8.
В ранее описанном варианте осуществления демпфирующие кольца 6 жестко соединены с удерживающими их спицами 3 таким образом, что они свободно удерживаются на спицах 3. Поскольку демпфирующие кольца 6 соединены между собой винтами 7, они прижимаются к спицам 3 и опираются на спицы 3. Таким образом, в случае осевого резонанса кольца 4 маховика может возникнуть относительное перемещение между демпфирующими кольцами 6 и опорными поверхностями спиц.
В одном из вариантов с реализуемым при необходимости дополнительным демпфированием колебаний можно целенаправленно допускать небольшие относительные перемещения и, таким образом, трение в областях контакта, в которых демпфирующие кольца 6 лежат на спицах 3, для достижения дополнительных эффектов демпфирования колебаний.
Для этого в областях контакта вставлены соответствующие фрикционные подкладки 14, которые, в частности, можно видеть на ФИГ. 2 и 4. В варианте, показанном на ФИГ. 5, фрикционные подкладки 14 отсутствуют.
Таким образом, фрикционные подкладки 14 могут быть при необходимости предусмотрены в дополнение к инерционному демпфирующему устройству.
Фрикционные подкладки 14 могут иметь U-образное поперечное сечение, как показано на ФИГ. 2 и 4, и, таким образом, с боков охватывать опорные элементы 5, которые предусмотрены на выпусках спиц 3. Таким образом, гарантируется, что фрикционные подкладки 14 неподвижно удерживаются на концах спиц 3.
В случае слабого возбуждения колебаний, сжимающие усилия, действующие между демпфирующими кольцами 6 и фрикционными подкладками 14, присутствующими в областях контакта, обеспечивают жесткую связь демпфирующих колец 6 с перемещением массы маховика, в частности кольца 4 маховика, и что все перемещения передаются на кольцо 4 маховика. В этом случае возникает статическое трение между фрикционными подкладками 14 и демпфирующими кольцами 6.
Если возбуждается одна из основных мод массы маховика, кольцо 4 маховика раскачивается вверх относительно ступицы 1. Эти собственные моды соответствуют критическому случаю, амплитуда которых должна поддерживаться как можно меньшей в случае резонанса. Как только амплитуда колебаний становится настолько большой, что превышается статическое трение в областях контакта с демпфирующими кольцами 6, демпфирующие кольца 6 могут скользить относительно спиц 3 или, соответственно, кольца 4 маховика, или, соответственно, фрикционных подкладок 14. Таким образом, возникают две системы с различными резонансными частотами, которые перемещаются относительно друг друга.
В этом случае относительное перемещение может быть достаточно незначительным и составлять, например, менее 1 мм. Так, оказалось, что уже относительное перемещение от 0,2 до 0,3 мм (амплитуда колебаний) является достаточным для достижения эффективного демпфирования колебаний с помощью фрикционных подкладок 14.
На ФИГ. 6 показан принцип работы на увеличенном укрупненном виде в разрезе.
При этом выпуск с радиальной стороны спицы 3, показанной в разрезе, соединен за одно целое с кольцом 4 маховика. Между демпфирующими кольцами 6 вставлена соответствующая фрикционная подкладка 14.
Если кольцо 4 маховика колеблется в осевом направлении X в случае резонанса или, соответственно, в случае соответствующего возбуждения колебаний, после преодоления статического трения возникает относительное перемещение в радиальном направлении R между демпфирующими кольцами 6 и фрикционными подкладками 14.
На ФИГ. 7 дополнительно показан увеличенный укрупненный вид с инерционным демпфирующим элементом 8, удерживаемым между двумя демпфирующими кольцами 6.