Результат интеллектуальной деятельности: ДАТЧИК ПРЕДЕЛЬНЫХ УСКОРЕНИЙ

Изобретение относится к области приборостроения, а именно - к инерционным датчикам порогового действия, осуществляющим регистрацию и запоминание в автономном режиме (без источника электропитания) информации о достижении ускорением заданных предельных уровней.

Подобные датчики могут быть использованы для автономной регистрации заданных уровней ускорений, которым может быть подвергнут опасный груз, например, при транспортных авариях.

Основными характеристиками инерционных датчиков порогового действия являются: порог по ускорению срабатывания, величина рабочего хода и диаграмма чувствительности. Чувствительным элементом инерционных датчиков порогового действия, как правило, является инерционное тело, подвешенное к корпусу на упругом элементе.

Порог по ускорению срабатывания обеспечивается путем поджатия инерционного тела в исходном положении к опорной поверхности с заданным усилием, отношение которого к массе инерционного тела и определяет величину порога. Движение инерционного тела начинается при достижении действующего ускорения заданной величины, определяемой порогом по ускорению срабатывания.

Чтобы использовать инерционный пороговый датчик в качестве регистратора заданных уровней ускорений с запоминанием информации, необходимо конструктивно обеспечить фиксацию его чувствительного элемента в конечном положении. Информацию о достижении ускорением заданного порога по ускорению срабатывания можно получить в результате определения положения чувствительного элемента, например, установив нормально разомкнутый электрический контакт, который замыкается при срабатывании датчика, то есть при перемещении его чувствительного элемента из исходного в конечное положение.

Исходя из минимизации количества датчиков, устанавливаемых на движущийся объект, целесообразно, чтобы датчик мог срабатывать при действии ускорений, вектор которых может быть направлен как вдоль, так и под углами к оси датчика. Поэтому одной из основных характеристик инерционных датчиков порогового действия также является диаграмма чувствительности, показывающая, при какой величине ускорения начинается перемещение инерционного тела (или происходит замыкание электрического контакта) в зависимости от угла между осью датчика и вектором ускорения.

Так, например, для получения диаграммы чувствительности в виде конуса можно использовать в датчике чувствительный элемент с инерционным телом, имеющим сферическую форму, которое поджато упругим элементом к опорной поверхности, имеющей коническую форму. Угол конуса диаграммы чувствительности зависит от угла конического углубления, в котором размещается сферическое инерционное тело. Для получения диаграммы чувствительности в виде цилиндра нужно, чтобы инерционное тело сферической формы опиралось на плоскую опорную поверхность, но было расположено в коническом углублении, выполненном в упругом элементе или детали, связанной с упругим элементом.

Известен инерционный датчик (см. патент США №5237135, МПК H01H 35/14, опубл. 17.08.93), в котором инерционное тело сферической формы (шарик) - расположено в коническом углублении, выполненном в корпусе датчика, с возможностью перемещения как вдоль, так и под углом к оси датчика, а в качестве упругого элемента, закрепленного в корпусе, используются сформированные путем вырезов на пластине консольные балки (8 штук), которые поджимают шарик к конической опоре.

К главным недостаткам аналога можно отнести то, что датчик не обеспечивает автономную регистрацию факта превышения ускорением, действующим на датчик, его порога по ускорению срабатывания, так как инерционное тело возвращается в исходное положение. Консольные балки, нагруженные на конце шариком, образуют колебательную динамическую систему, реакция которой на ударные импульсы произвольной формы может отличаться в зависимости от темпа нарастания ускорения. Так как механическая колебательная система характеризуется наличием частот, при которых возможно возникновение резонанса, то в условиях вибронагружений возникновение резонанса может приводить к дребезгу упругих элементов и соответственно потере устойчивости датчика и ложным срабатываниям (см. Ю.И. Иориш, Виброметрия, ГНТИ, Москва, 1963, стр. 463).

Кроме того, диаграмма чувствительности вышеуказанного датчика неравномерная (особенно при действии ускорений в направлении, перпендикулярном оси датчика), так как в зависимости от направления вектора ускорения задействуются одна или две консольных балки.

Для того, чтобы датчик мог сохранять информацию о превышении ускорением, действующим на него, заданного уровня, целесообразно использовать упругий элемент, который при перемещении инерционного тела не возвращается в исходное положение. У таких упругих элементов имеется два устойчивых состояния, а переход из одного устойчивого состояния (исходного положения) в другое (конечное положение) осуществляется благодаря тому, что вектор восстанавливающей силы упругого элемента меняет свое направление на противоположное, то есть происходит прощелкивание упругого элемента.

Известен инерционный пороговый датчик, предназначенный для запоминания факта действия ускорения, в котором используется эффект прощелкивания упругого элемента (см. патент США №2930863, МПК G01P 15/135, H01H 35/14, опубл. 29.03.1960). Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа. Упругий элемент датчика выполнен в виде тарельчатой пружины, центральная часть которой контактирует с инерционным телом, поджимая его к опорной поверхности. К инерционному телу подсоединен токовывод, благодаря чему инерционное тело одновременно выполняет роль подвижного электрического контакта.

Для обеспечения требуемого порога по ускорению срабатывания центральная часть тарельчатой пружины при сборке датчика предварительно деформируется, благодаря чему инерционное тело поджимается к опорной поверхности, на которой выполнен неподвижный электрический контакт. Отношение усилия, с которым инерционное тело поджимается к опорной поверхности, к массе инерционного тела обеспечивает датчику требуемый порог по ускорению срабатывания. При действии ускорения инерционное тело нагружает тарельчатую пружину в центральной части, и при достижении ускорением величины, равной пороговому значению, инерционное тело перемещается на величину рабочего хода. Благодаря тому, что в конце рабочего хода инерционного тела восстанавливающая сила меняет свое направление, происходит прощелкивание тарельчатой пружины. При этом пружина скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния в другое. Установление факта превышения ускорением заданной величины осуществляется по положению инерционного тела путем опроса состояния электрического контакта, который замыкается им в конечном положении.

Основным недостатком прототипа является возможность регистрации факта превышения действующего на датчик ускорения порогового значения только по одной оси, так как к боковым ускорениям датчик не чувствителен. При прощелкивании гибкой тарельчатой пружины возможно неравномерное перемещение края центрального отверстия с образованием складок и, как следствие, появление напряжений, превышающих предел упругости материала, из которого изготовлена пружина. Это может привести к существенному искажению силовой характеристики упругого элемента уже после первого срабатывания датчика.

Кроме того, при действии на датчик ударных ускорений, которые, как правило, носят характер затухающих колебаний, необходимо принять дополнительные меры для исключения возврата инерционного тела в исходное положение, иначе информация о срабатывании датчика не будет сохранена. Поэтому, если в датчике инерционное тело закреплено на упругом элементе, то при действии знакопеременного ускорения возможно возвращение инерционного тела в исходное положение.

Решаемой задачей заявляемого изобретения является создание датчика предельных ускорений, с повышенной надежностью регистрирующего заданные уровни ускорений, действующих вдоль и под углом к оси датчика, при условии превышения порога по ускорению срабатывания датчика, в соответствии с диаграммой чувствительности, в том числе при действии ударных импульсов произвольной формы.

Достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности срабатывания датчика при действии ускорений, действующих вдоль и под углом к оси датчика, в том числе ударных импульсов произвольной формы и повышение устойчивости в условиях вибронагружений.

Это достигается тем, что в датчике предельных ускорений, содержащем корпус с установленным в нем инерционным телом, предварительно поджатым к упору упругим элементом, имеющим возможность перехода из одного устойчивого положения в другое путем прощелкивания, новым является то, что упругий элемент выполнен в виде гибкой тарельчатой пружины с краевыми гофрами, имеющей на участке рабочего хода отрицательную жесткость, при этом в центральном отверстии тарельчатой пружины установлено инерционное тело сферической формы.

Выполнение упругого элемента в виде гибкой тарельчатой пружины (см. С.Д. Пономарев, Л.Е. Андреева. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980, стр. 221), установленной с возможностью перехода из одного устойчивого положения в другое путем прощелкивания, обеспечивает чувствительному элементу датчика силовую характеристику (зависимость обобщенной восстанавливающей силы от перемещения центральной части пружины), на которой есть участок, где происходит уменьшение силы, но при этом вектор обобщенной восстанавливающей силы не меняет своего направления. Указанный участок силовой характеристики и используется для обеспечения требуемого порога по ускорению срабатывания путем выбора положения инерционного тела относительно корпуса с помощью упора, размещенного в корпусе. Так как величина обобщенной восстанавливающей силы в зависимости от перемещения инерционного тела уменьшается, обобщенный коэффициент жесткости упругого элемента - гибкой тарельчатой пружины - на участке рабочего хода имеет отрицательное значение. Поэтому динамическая система датчика является неколебательной, благодаря чему достигается повышение точности срабатывания датчика при действии ускорений, в том числе ударных импульсов произвольной формы, а также повышение устойчивости датчика в условиях вибронагружений.

Краевые гофры обеспечивают гибкой тарельчатой пружине возможность больших упругих перемещений ее центральной части и делают эту часть тарельчатой пружины более жесткой, обеспечивая равномерное перемещение края центрального отверстия без появления складок.

Инерционное тело сферической формы - шарик - размещается в центральном отверстии гибкой тарельчатой пружины, опираясь на поверхность краевого гофра. Поверхность краевого гофра у центрального отверстия тарельчатой пружины образует посадочное место для шарика. Соотношение диаметра центрального отверстия, с учетом размера краевого гофра, и диаметра шарика определяет глубину посадки шарика в отверстии.

Опорная поверхность, к которой поджимается шарик упругим элементом, может быть плоской, конической или иметь другую произвольную форму. В зависимости от сочетания формы опорной поверхности и глубины посадки шарика в центральном отверстии тарельчатой пружины можно формировать различные виды диаграмм чувствительности, тем самым расширяя функциональные возможности датчика.

Благодаря тому, что шарик не соединен с упругим элементом, после того, как произойдет прощелкивание гибкой тарельчатой пружины, для возврата ее в исходное положение необходимо действие ускорения обратной направленности, величина которого существенно превышает величину порога по ускорению срабатывания датчика. Это является немаловажным фактом, так как невозможность возвращения чувствительного элемента в исходное положение повышает достоверность запоминания факта действия ускорения, то есть зарегистрированной информации.

Центральная часть тарельчатой пружины при перемещении инерционного тела на величину рабочего хода контактирует с неподвижным электрическим контактом, то есть упругий элемент выполняет функцию подвижного электрического контакта. Благодаря тому, что вектор восстанавливающей силы в конечном положении упругого элемента меняет свой знак, обеспечивается необходимая величина контактного давления, достаточная для надежного замыкания электрической цепи.

На фиг. 1 изображена схема варианта исполнения датчика предельных ускорений, имеющего коническую опорную поверхность инерционного тела.

На фиг. 2 изображен вид силовой характеристики упругого элемента - гибкой тарельчатой пружины.

Датчик предельных ускорений содержит сферическое инерционное тело - шарик 1, установленный с возможностью перемещения вдоль и под углом к оси датчика. Шарик 1 поджат к опоре 4 закрепленным в корпусе 5 упругим элементом - гибкой тарельчатой пружиной 2, являющейся одновременно подвижным электрическим контактом. Гибкая тарельчатая пружина 2 имеет гофры по внешнему краю и краю центрального отверстия, в котором размещается инерционное тело 1. Пружина установлена в корпусе датчика с возможностью прощелкивания, благодаря которому реализуется силовая характеристика с отрицательной жесткостью на участке рабочего хода Δ. Рабочий ход чувствительного элемента датчика - расстояние, которое необходимо пройти инерционному телу до момента, когда вектор восстанавливающей силы, генерируемой упругим элементом, меняет свое направление на противоположное.

Неподвижные электрические контакты 3 изолированы от корпуса датчика 5 и упругого элемента 2 и размещены на расстоянии, большем чем величина рабочего хода Δ. При срабатывании датчика упругий элемент перемыкает электрические контакты 3.

Опора 4 установлена в корпусе 5 датчика с возможностью перемещения, например, по резьбе для обеспечения предварительного смещения центральной части гибкой тарельчатой пружины и для точной настройки порога по ускорению срабатывания.

Для получения информации о срабатывании датчика производится опрос состояния контактов 3. Замкнутые контакты свидетельствуют о том, что величина действующего на датчик ускорения превысила пороговое значение.

В качестве инерционного тела целесообразно использовать стандартный шарик необходимого диаметра, изготовленный из коррозионностойкого немагнитного сплава.

Гибкая тарельчатая пружина изготавливается также из коррозионностойкого немагнитного сплава, например сплава 36НХТЮ. Центральное отверстие с краевым гофром служит для позиционирования инерционного тела - шарика и, кроме того, делает центральную часть мембраны более жесткой, благодаря чему она перемещается по заданному закону.

Неподвижные электрические контакты изготавливаются из электропроводящего металла.

Силовая характеристика упругого элемента - гибкой тарельчатой пружины 2 - представляет собой зависимость силы F, генерируемой пружиной, от перемещения Y ее центральной части. Как показано на фиг. 2, силовая характеристика имеет рабочий участок А-Б, на котором происходит сначала уменьшение величины восстанавливающей силы F до нуля, а затем вектор восстанавливающей силы меняет свое направление на противоположное. То есть в исходном положении чувствительного элемента датчика величина восстанавливающей силы F (точка A на силовой характеристике) больше, чем в конце рабочего хода - в положении, когда вектор восстанавливающей силы меняет свое направление на противоположное. После того, как чувствительный элемент переместится на величину рабочего хода, произойдет прощелкивание гибкой тарельчатой пружины. В положении пружины, когда обратный вектор восстанавливающей силы имеет максимальное значение, происходит замыкание электрического контакта (точка Б на силовой характеристике). Величина рабочего хода Δ зависит от величины порога по ускорению срабатывания - с увеличением порога увеличивается величина рабочего хода.

Датчик работает следующим образом.

Под действием ускорения, величина которого превышает порог по ускорению срабатывания, а вектор ускорения может быть направлен как вдоль оси датчика, так и в боковом направлении, инерционный элемент 1 датчика, поджатый к упору 4 упругим элементом 2 (положение a, см. фиг. 1), отрывается от упора и перемещается на величину рабочего хода Δ, а затем благодаря смене направления вектора восстанавливающей силы упругий элемент - гибкая тарельчатая пружина 2 - прощелкивается в конечное положение (положение б, см. фиг. 1). Таким образом, при срабатывании датчика его упругий элемент переходит из одного устойчивого положения в другое.

Проведенные расчетные исследования работоспособности датчика предельных ускорений и натурные испытания макетных образцов его чувствительного элемента, выполненного в соответствии с изобретением, подтвердили достижение заявляемого технического результата.