CN107580661B - 用于具有弯曲模态的中空轴、支柱和梁的阻尼装置、系统及方法 - Google Patents

用于具有弯曲模态的中空轴、支柱和梁的阻尼装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于结构部件或动力传动轴的减振的装置、系统及方法。阻尼装置、系统及方法使用轻质阻尼装置，轻质阻尼装置旨在减小使包括中空轴或支柱的结构部件弯曲的最初若干个弯扭模态和/或扭转模态的共振振幅。阻尼装置包括坚硬同心管，坚硬同心管具有布置在各端处的阻尼元件。装置被插入到初始结构部件或轴中并附接至初始结构部件或轴。当主轴因模态特性而受到弯曲时，阻尼元件作出相应而耗散能量，这有效地减小共振振幅。

Description

用于具有弯曲模态的中空轴、支柱和梁的阻尼装置、系统及 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月11日提交的美国临时专利申请No.62/159,709的优先权，该申请的全部内容在此通过引用完全并入本文。
技术领域
本发明总体涉及用于减振的装置、系统及方法。本发明更具体地涉及用于使与结构部件相关的振动的弯扭模态(beaming mode)和/或扭转模态的共振振幅衰减的装置、系统及方法。
背景技术
包括轴、支柱、梁在内的结构部件用于各种不同应用，例如用于支撑设备或机器的框架或安装件。例如特别是对载具(例如航空器、汽车等)系统而言，各个轴和/或支柱通常为中空的，这允许制造者和/或操作者受益于成本和/或重量降低。被支撑的机器中的旋转部件(例如，发动机、电动机、转子、推进器等)会向支撑设备的中空轴和支柱传递振动。在一些方面中，该振动会激发被传递至处于框架或安装件中的各个支柱的振动的弯曲弯扭模态或扭转弯扭模态。在其他应用中，被支撑在轴承中的中空旋转轴用于各种类型的机器中的动力传动。在这些应用中，接近或达到轴的临界转速范围的工作角速度可能导致遍及轴和设备的共振。
减小结构部件或动力传动轴中的振动的常规方法包括设计出在旋转结构与各个结构部件之间具有合适的裕量或厚度的部件或提供改变结构部件的调谐的调谐质量体。然而，常规方法产生如下问题：增大裕量和/或调谐质量体将增大结构部件的重量，这是不期望的。
因此，存在对改进的阻尼装置、系统及方法的需要，以减小结构部件或动力传动轴中的振动，并减小作用在结构部件上的振动的弯曲和/或扭转弯扭模态的振幅。
发明内容
根据本公开内容，提供了一种使中空支柱、轴或管的共振衰减的阻尼装置、系统及方法。示例性阻尼装置包括具有第一端和第二端的管部件。第一阻尼元件布置到管部件的第一端上，而第二阻尼元件布置管部件的第二端上。第一阻尼元件和第二阻尼元件构造为相对于结构部件挠曲，以耗散来自结构部件的能量，并减小结构部件的因振动所激发的模态特性而导致的弯曲。
在一些实施例中，本文所述的阻尼装置构造为在三个或更少个离散位置处与结构部件物理接触。本文所述的阻尼装置构造为在结构部件的纵轴线的中间部附近的位置处与结构部件物理接触。本文所述的阻尼装置包括在结构部件的长度的约10％与约80％之间的长度。本文所述的阻尼装置借助于保持环、夹持件、粘合剂、铜焊或熔焊来附接至结构部件。
示例性阻尼系统包括中空结构部件以及布置在中空结构部件内部的阻尼装置。阻尼装置包括：管部件，其与结构部件或动力传动轴同心；以及至少一个阻尼元件，其附接至管部件的一部分。阻尼元件布置在结构部件的内壁的一部分与管部件之间。阻尼元件构造为耗散振动，并减小结构部件的因由被支撑设备或旋转轴的振动激发的模态特性而导致的弯曲。阻尼装置在三个或更少个离散位置处与结构部件的内壁物理接触。
减振的示例性方法包括：提供具有第一端和第二端的管部件；将第一阻尼元件附接至管部件的第一端，并将第二阻尼元件附接至管部件的第二端。该方法还包括：使第一阻尼元件和第二阻尼元件相对于结构部件或动力传动轴挠曲，以耗散来自部件的能量，并减小部件的因振动所激发的模态特性而导致的弯曲。
在一些实施例中，本文所述的阻尼装置包括具有例如硅树脂等粘弹性材料的阻尼元件。在一些实施例中，阻尼元件包括弹簧元件，弹簧元件构造为将摩擦元件夹持至插入元件，以产生用于减振的摩擦力。在一些实施例中，阻尼元件包括耐更高温度的金属网栅。在一些实施例中，阻尼元件均构造为相对于结构部件的内壁挠曲。
在一个方面中，提供一种阻尼装置。阻尼装置包括结构部件、管部件、第一阻尼元件和第二阻尼元件。在结构部件的内部布置有管部件，管部件具有第一端和第二端。第一阻尼元件布置在管部件的第一端上。第二阻尼元件布置在管部件的第二端上。第一阻尼元件和第二阻尼元件构造为相对于结构部件挠曲，以耗散来自结构部件的能量，并减小结构部件的因振动所激发的模态特性而导致的弯曲。在一个实施例，阻尼装置在三个或更少个离散位置(I、II、III)处与结构部件物理接触。在一个实施例中，阻尼装置在结构部件的纵轴线的中间部(CL)附近的位置(II)处与结构部件物理接触。在一个实施例中，管部件包括在结构部件的长度的约10％与约80％之间的长度。在一个实施例中，第一阻尼元件和第二阻尼元件中的至少一者包括硅树脂。在一个实施例中，第一阻尼元件和第二阻尼元件中的至少一者包括弹簧元件，弹簧元件构造为将摩擦元件夹持至插入元件，以产生用于减振的摩擦力。在一个实施例中，第一阻尼元件和第二阻尼元件中的至少一者包括耐较高温度的金属网栅。在一个实施例中，第一阻尼元件和第二阻尼元件构造为相对于结构部件的内壁挠曲。在一个实施例中，管部件借助于保持环、夹持件、粘合剂、铜焊或熔焊来附接至结构部件。
在另一个方面中，提供一种阻尼系统。阻尼系统包括结构部件和阻尼装置。结构部件包括至少一个内壁，结构部件为中空的。阻尼装置布置在结构部件中。阻尼装置还包括管部件和至少一个阻尼元件。管部件与结构部件同心。至少一个阻尼元件附接至管部件的一部分，阻尼元件布置在结构部件的内壁的一部分与管部件之间。阻尼元件构造为耗散振动，并减小结构部件的因结构部件的振动所激发的模态特性而导致的弯曲。在一个实施例中，系统包括在至少两个或更多个接触点(I、II)处与结构部件的内壁物理接触的阻尼装置。在一个实施例中，该系统包括位于结构部件的纵轴线的中间部(CL)附近的至少一个接触点(II)。在一个实施例中，该系统还包括布置在管部件的相反两端上的第一阻尼元件和第二阻尼元件。在一个实施例中，管部件包括在结构部件的长度的约10％与约80％之间的长度。在一个实施例中，至少一个阻尼元件包括硅树脂。在一个实施例中，至少一个阻尼元件包括弹簧元件，弹簧元件构造为将摩擦元件夹持至插入元件，以产生用于减振的摩擦力。在一个实施例中，至少一个阻尼元件包括金属网栅。在一个实施例中，至少一个阻尼元件构造为减小结构部件的至少第一弯曲模态的共振振幅。
在另一个方面中，提供了一种减振方法。该方法包括如下步骤：
A.提供结构部件(101)；
B.在结构部件中设置管部件(202)，管部件具有第一端(E1)和第二端(E2)；
C.将第一阻尼元件(208A)附接至管部件的第一端，并将第二阻尼元件(208B)附接至管部件的第二端；以及
D.使第一阻尼元件和所述第二阻尼元件相对于结构部件挠曲，以耗散来自结构部件的能量，并减小结构部件的因振动所激发的模态特性而导致的弯曲。
在一个实施例中，该方法还包括将阻尼装置定位在结构部件的内部，使得阻尼装置在至少三个离散位置(I、II、III)处与结构部件物理接触。在一个实施例中，该方法还包括：将阻尼装置定位在结构部件的内部，使得阻尼装置在结构部件的纵轴线的中间部(CL)附近的位置(II)处与结构部件物理接触。
本文所述的阻尼装置、系统及方法减小了中空轴或支柱的最初若干个弯扭模态和/或扭转模态的共振振幅。通过结合示出了这些实施例的附图阅读优选实施例的以下详细描述，新主题的多个目的和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A至图1D是根据本公开主题的实施例的阻尼装置及系统的侧视透视图、纵截面图和端视图。
图1E至图1F是根据本公开主题的实施例的阻尼装置及系统的纵截面图。
图2A至图2C是根据本公开主题的实施例的阻尼装置的一部分。
图3是将根据本公开主题的实施例的衰减的弯扭响应(beaming response)和未衰减的弯扭响应进行比较的曲线图。
图4是被简单支撑的结构部件的主弯扭振型的曲线图。
具体实施方式
附图(也称为“图”)1A至4示出了涉及减振装置、系统及相关方法的多个视图、实施例和/或方面，可以利用减振装置、系统及相关方法来延长与旋转机器或设备有关的结构部件的寿命。在一些实施例中，本文所述的装置、系统及方法通过增大例如中空支柱或轴等结构部件的刚度和/或阻尼来耗散振动能。本文所述的装置、系统及方法构造为减小与结构部件(例如，固定轴、支柱或梁)的扭转模态和/或一个或多个主弯曲模态相关的共振传递率。在一些实施例中，当有效地使振动衰减时，可以减小根据共振产生的疲劳强度而初始设计的许多轴、支柱或梁的厚度。因此，本文所述的装置、系统及方法提供了可以有利地比初始支柱更轻质的支柱与阻尼器组件。
本文所述的装置、系统及方法可以在许多不同应用中使用，不限于在如下结构部件和/或结构部件系统中使用：例如，旋转轴(例如，在临界转速附近工作或加速达到临界转速)、机身支柱、辅助功率单元支撑部、支撑框架部件、发动机附接支撑件和框架部件、附接框架部件、发动机安装部件、驱动轴(例如，对不限于航空器和/或汽车的载具而言)、发动机中的高速内部轴、高速旋转设备中的动力传动轴、载具系统、发动机系统等。
本文所述的阻尼装置、系统及方法包括内部阻尼装置，内部阻尼装置适合于使例如轴、支柱、框架部件和/或梁等各种结构部件的振动和/或共振振幅衰减。在一些实施例中，本文所述的装置、系统及方法可以用于解决结构部件的扭转(扭曲)模态以及主弯曲或弯扭模态。
参考图1A至图4，示出了阻尼装置、系统及方法的若干个非限制的示例性实施例。由于每个附图均是示例性的，因此可以在保持处于权利要求书的范围内的同时，将其中一些元件和/或功能进行组合、分离、整合和/或修改。
参考图1A至图1C，示出了整体标记为100的阻尼系统。在一些实施例中，阻尼系统100包括至少一个结构部件101以及整体标记为200的阻尼装置。如图所示，结构部件101包括支柱、轴、梁等。阻尼装置200可以包括内部阻尼装置，内部阻尼装置构造为被附接或连接至结构部件，并且在一些实施例中内部阻尼装置被插入到结构部件中和/或与结构部件成一体。阻尼装置200包括第一端E1和与第一端相反的第二端E2。
图1A是例如梁、支柱、杆或轴等结构部件101的透视图，结构部件101具有布置在第一端102A与第二端102B之间的部件主体104。结构部件101可以单独使用和/或与一个或多个附加结构部件101组合，以形成框架或安装结构，框架或安装结构用于支撑和/或安装机器的具有振动产生源(未示出，例如发动机、转子、推进器、驱动轴、旋转轴等)的部分。第一端102A和第二端102B可以包括端头配件，端头配件被牢固地附接或连接至一个或多个附加结构(未示出)，这些附加结构用于将支撑主体104支撑在附加结构中间。在一些实施例中，每个端部(例如102A、102B)包括有眼螺栓、紧固件、销、夹子、钩部、螺纹件、转锁式配件、搭扣配件或任意其他类型的配件或紧固结构。
在一些实施例中，第一端102A和第二端102B可以独立地连接和/或附接至用于发动机架的固定支撑结构、固定机器部件、固定壳体(例如发动机壳体)等。在一些示例性实施例中，当振动从被支撑设备(未示出)传递至主体104时，主体104表现出或经历一个或多个共振弯扭模态(例如弯曲和/或扭转模态)。本文所述的阻尼装置、系统及方法构造为减小与作用在结构部件主体104上的一个或多个主弯扭模态和/或扭转模态相关的共振传递率。在一些实施例中，主体104包括构造为收纳(例如内部地)以阻尼装置200(图1B)的形式呈现的次级阻尼管的主轴、支柱、梁、杆或管。主体104可以由如下任意材料形成：包括但不限于金属、金属合金、钢、铝(Al)、塑料、任意刚性材料、任意挠性材料、任意复合材料等。
图1B是在图1A的第一端102A与第二端102B之间沿纵向截取的系统100的纵截面图。如图1B所示，结构部件101可以包括中空主体104。如图所示，阻尼装置200定位在或以其他方式布置在主体104的一部分中，例如，阻尼装置200位于结构部件101和/或主体104的一个或多个内壁104之间。阻尼装置200构造为在至少两个位置处与主体104(例如主体104的内壁104A)物理接触。如图1B所示，装置200可以在至少三个位置(整体标记为I、II和III)处与主体104接触。装置200与结构部件101的主体104之间的接触点或接触位置(例如I、II和III)的数量取决于主体104的长度和/或直径，且不限于任何特定数量的接触点或接触位置。
在一些实施例中，装置200包括布置在中空轴或支柱的主体104中的管状(筒状)体或管部件202。在一些实施例中，管部件202和主体104为具有相同的中心线、中心平面、中心点或中心轴线(中心x、y或z轴线中的任一者)的同心结构。在一些方面中，在阻尼系统100中主体104被称为“主”管，而管部件202被称为“次级”管。管部件202可以包括外径比主体104的内径小的坚硬和/或刚性结构，并可以借助于保持结构或保持环(整体标记为204)与主体104接触或连接。
在一些实施例中，保持环204包括围绕管部件202的最外径布置的一个或多个环形圈(例如图1C中的204A和204B)。保持环204可以包括如下一个或多个部件：这种部件构造为将装置200的一部分夹持至主体104和/或将装置200摩擦地保持在主体104的内壁104A(图1C)上。保持环204可以包括单个保持结构(例如环)或多个保持结构(例如多个环)。
在一些实施例中，保持环204布置成接近管部件202和主体104的中心线或中心轴线，例如，布置成沿着使各个管(例如202和104)沿着相应纵向长度平分成具有大致相等尺寸的两个大致相等部分的中心线。保持环204可以包括构造为将装置200保持在主体104的一个或多个内壁104A上的单个环形部件或多个环形部件，在将装置200保持在内壁104A上期间，这些环形部件可以互搭和/或彼此间隔开，从而可能具有自锁锥角。
在一些实施例中，由于管部件202与主体104之间可以设置粘合剂和/或过盈配合部件、压配合部件等以将管部件202连接至主体104，因此保持环204是示例性和可选的。例如，装置200的管部件202可以借助于粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，销、钩部、螺纹件等)、一个或多个摩擦紧固件、一个或多个压配合部件、锡焊(soldering)、铜焊(brazing)、熔焊(welding)等被固定至主体104。在一些实施例中，保持环204包括至少一个渐变夹持环。如果使用金属阻尼器管部件202，则可以使用铜焊、锡焊和/或熔焊来将阻尼器管(例如管部件202)附接至主管(例如主体104)。
如图1B和1C所示，阻尼装置200构造为借助于一个或多个阻尼装置或元件，在一些实施例中借助于至少第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B，在第一位置I和第三位置III处与主体104接触。每个阻尼元件(例如208A和208B)均可以根据所需的衰减量和/或衰减环境而包括任意合适的材料和/或结构。例如，在一些实施例中，每个阻尼元件(例如208A和208B)均可以包括粘弹性部件、金属部件、金属合金部件、摩擦弹簧阻尼部件、弹性体部件、塑料部件、金属丝网部件或材料、摩擦引发元件或部件或材料、单个不连续阻尼部件、多层部件等。第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B均可以包括相同的尺寸、形状、结构和/或材料；或者第一阻尼元件208A可以包括与另一个，即第二阻尼元件208B不同的尺寸、形状、结构和/或材料。
在一些实施例中，每个阻尼元件(例如208A和208B)均构造为借助于响应于传递至主体104的振动和/或扭曲的挠曲来耗散能量(例如机械能、振动能等)。在其他实施例中，每个阻尼元件(例如208A和208B)均构造为一旦产生摩擦或热量就耗散振动能。可以提供任意尺寸、形状、数量和/或类型的阻尼元件(一个或多个)。在该构造中，提供位于管部件202的相反两端E1和E2和/或主体104附近的不连续的第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B可以有利地允许根据需要容易地安装和/或更换这些元件或部件，同时在安装状态时仍提供有效的阻尼。然而，还可以提供多于两个或少于两个的阻尼元件。
在一些实施例中，阻尼装置200构造为借助于保持环104或其他保持结构和/或保持材料在第二中间位置II处与主体104接触。在一些实施例中，阻尼装置200仅在三个位置处与主体104接触。在其他实施例中，阻尼装置200在多于三个位置(例如在设置较长主体104时)处或在少于三个位置(例如在设置较短主体104时)处与主体104接触。与主体104的长度相比，可以根据需要，例如，根据包括所需的衰减量、所需的衰减类型(例如共振、扭转)、弯扭模态和/或衰减环境(例如热环境、化学环境等)在内的因素来优化或改进阻尼装置200的长度。
在一些实施例中，管部件202是由如下材料制成的坚硬的和/或大致刚性的主体，这些材料包括金属、金属合金、钢、Al、塑料、复合材料或任意其他坚硬轻质材料。管部件202还可以为中空的，以有助于系统100的减重。阻尼装置200可以构造为通过增大刚度和阻尼这两者来耗散能量，从而可以共同且有效地减小主体104振动时的共振振幅。
在一些实施例中，装置200的长度在整个初始主体104(例如不包括端部102A和102B)的长度的约10％至约80％的范围内。装置200和各管部件202的长度可以根据需要来确认、优化和/或设定为任意值。在一些实施例中，主体104为约24英寸(约61厘米)长，而管部件202的长度可以在约4.8英寸至约20英寸(约12.2厘米至约51厘米)的范围内。可以提供任意长度的主体104和/或管部件202。类似的是，可以提供主体104的长度与管部件202的长度之间的任意比率。在一些方面中，主体104和管部件202包括同心且筒状环形的壳体，其中，主体104完全围绕和/或包围管部件202。主体的长度(LB)与管部件202的长度(LT)之间的非限制性比率可以包括约0.5以上、约1.0以上、约1.3以上、约2.0以上、约3.0以上、约4.0以上、约5.0以上等的比率(LB/LT)。
参考图1C并且在一些实施例中，阻尼元件208A示出为借助于端头配件或转接器206被固定至管部件202。转接器206可以包括金属或金属合金的主体，该主体构造为隔离各个阻尼元件(例如208A和208B)，并将阻尼元件连接至管部件202的相反的最外两端部。图1C是如图1B所示的系统100和装置200的半部的放大(靠近)视图，其中，相反侧(未示出)为所示附图的镜像。保持部件210和固定元件212还可以进一步使各个阻尼元件(例如208A和208B)与装置200的端部隔离，并将阻尼元件固定至转接器206。在一些方面中，固定元件212包括六角螺母，六角螺母构造为与转接器206的主体螺纹地接合，以将第一阻尼元件208A固定至转接器206。
如图1C进一步示出，保持环204包括一个以上(例如多个)环形圈，环形圈布置成堆叠件和/或层叠或夹层结构，以将装置200保持在主体104中(例如支柱、轴、梁或结构部件101的内壁104A中)。保持环204可以包括渐变的外环部件204A，外环部件204A布置在一个或多个渐变的内环部件204B上和/或布置在一个或多个渐变的内环部件204B周围。外环部件204A和内环部件204B包括渐变的纵截面，并且每个环部件均构造为围绕管部件202的外径或在管部件202的外径上夹持在一起，以将管部件202固定至主体104的内壁104A。保持环204和/或保持环的一部分(例如204A、204B等)可以包括任意材料，这些材料包括但不限于金属、金属合金、钢、Al、塑料、聚合物等。
在一些实施例中，第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B包括被固定至阻尼装置200的相反的第一端和第二端上的弹性体元件。阻尼元件208A和208B可以具有任意合适的大小、形状、结构、尺寸和/或材料。在一些方面中，阻尼元件208A和208B包括粘弹性材料、弹性体、硅树脂、橡胶、聚合物、泡沫材料、合成材料、冲击吸收材料等。阻尼元件208A和208B构造为目标在于减小与例如振动轴或支柱等结构部件101或主体104相关的振动的弯扭模态和/或扭转模态的共振振幅。减振的方法包括提供中空结构部件(例如轴、支柱或梁)101，并将阻尼装置200插入(定位)在中空结构部件101的主体104中。阻尼装置200可以包括可选地布置在阻尼装置200的相反两端部上的一个或多个不连续的阻尼元件(例如208A和208B)。
第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B可以包括任意合适的材料或结构，例如，在一些方面中，第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B可以构造为挠曲、产生摩擦和/或以其他方式对主体104的弯扭模态作出响应以耗散振动能，从而在主体104表现出振动的一个或多个弯扭模态时减小结构部件101或主体104的共振。
图1D是如图1A所示和所述的系统100的端视图。每个端部102A和/或102B均可以固接至另一结构，使得主体104可以被简单地支撑在端部102A与端部102B之间。当主体104旋转和/或旋转部件向主体104传递振动时，主体104可能共振，并表现出振动的扭转模态和/或一个或多个主弯扭模态。阻尼装置200构造为使共振振动的振幅衰减，而不引入调谐质量体和/或不必增大主体104与振动源之间的距离、间隙或裕量。
图1E和图1F是系统100、装置200和/或它们的一部分的纵截面图。结构部件101包括具有中空主体104的主管(例如轴或支柱)，至少一端102A包括端头配件或连接部件。主体104借助于转接器主体或插销部件106连接至端头配件或连接部件。部件106可以包括螺纹孔，可以将螺纹端头配件(例如带螺纹的有眼螺栓、带螺纹的尾钩等)螺纹地附接和/或接合至螺纹孔。部件106还可以可选地包括带螺纹的外径。部件106的外径可以与主体104的螺纹内壁螺纹地附接和/或接合，以将主体104固定至端头配件。在其他实施例中，部件106可以压配合、熔焊、锡焊或以其他方式附接至主体104。主体104被支撑为位于相反两端(例如102A和102B)之间的梁，相反两端附连或可以借助于端头配件附连至其他结构(未示出)。
在图1E中，可以通过使第一阻尼元件208A相对于主体104的至少一个内壁104A挠曲(例如移动、摩擦或制动)和/或使第一阻尼元件208A在管部件202与主体104之间弯曲来实现阻尼。阻尼元件208A的挠曲耗散从主体104施加或传递至阻尼元件208A的振动能(例如扭转和/或弯曲)。在一些实施例中，阻尼元件208A包括例如弹性体等粘弹性材料。然而，被选为用于阻尼元件208A的材料是可选的和/或取决于所需的衰减量、所需的衰减类型和/或衰减环境。阻尼元件208A的一个选择包括提供弹性体阻尼元件208A和208B。因增大的损耗因数提供增大的阻尼，所以弹性体材料的阻尼损耗因数在约0.2与约1.2之间。第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B(图1B)可以通过将转接器206螺纹连接到管部件202的端头配件或端部插塞214中来附接和/或连接至管部件202。端部插塞214可以包括如下主体，该主体根据衰减环境和/或系统而包括金属、金属合金或任意其他材料(例如，塑料材料、聚合材料、复合材料等)。
在其他实施例中，第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B(图1B)中的至少一者可以包括金属网栅类型的阻尼元件。提供金属网栅类型的阻尼元件提高了在升高温度下阻尼元件的性能和/或提高阻尼元件对流体和流体环境的抵抗力。
在一些实施例中，第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B中的至少一者可以包括摩擦阻尼元件(例如见图1F)，可以利用例如弹簧元件226A和226B等偏置元件来激发摩擦阻尼元件，以在内部阻尼管部件202的端部处提供摩擦阻尼力。在低振动负载下，摩擦弹簧元件的静态摩擦力可以防止滑动。当振动等级超过了产生高于静态摩擦力的力所需的等级时，阻尼装置200会滑动，并以热量的形式产生用于耗散存在的振动能的摩擦阻尼力。这向主要主体104提供了阻尼，并减小了共振振幅。摩擦材料和/或夹持力的选择可以用于为特定类型的结构部件101内的装置在合适的振动输入等级提供阻尼，例如，经受预期(例如，评估、计算出的)振动等级的特定部件。
在其他实施例中，第一阻尼元件208A和第二阻尼元件208B中的至少一者可以包括粘性类型的阻尼元件，该阻尼元件使用受到剪切的粘性流体来产生阻尼力。可以基于环境(温度、流体暴露等)、所需的衰减量、输入振动等级(高等级可能在阻尼器中产生高热量输出)、组装或制造考虑、重量关注等来确定阻尼元件类型和/或材料的选择。
参考图1F和在一些实施例中，借助于摩擦阻尼器构造来实现阻尼。在一些实施例中，阻尼装置200包括摩擦阻尼器，摩擦阻尼器具有布置在一个或多个摩擦元件222A与222B之间的盘部件或插入部件220。插入部件220可以设置为抵靠在主体104的内径上。插入元件220可以锥锁连接(taper lock)到主体104上或借助于粘合剂、铜焊、熔焊、锡焊、过盈配合、压配合等固接到主体104上。在一些实施例中，摩擦元件222A和222B对经由内部阻尼管端头配件(例如转接器206)传递至摩擦元件222A和222B的运动作出反应，并自由地沿着纵向管轴线平移。一个或多个弹簧元件226A和226B构造为将摩擦元件222A和222B夹持在插入元件220上，以产生用于减振且减小挠曲弯扭和/或扭转弯扭的振幅的摩擦力。
图1A至图1F示出了轻质阻尼装置的示例性实施例，轻质阻尼装置目标在于减小中空结构部件101或动力传动轴的振动的最初若干个弯扭模态和/或扭转模态的共振振幅。阻尼器由具有设置在各个端部(例如，管部件202的第一端和第二端)处的一个或多个阻尼元件(例如，粘弹性元件、网栅元件、摩擦元件等)的坚硬同心管(例如202)构成。该装置可以被插入到主轴(例如104)中，并且在一些方面中借助于粘合剂或保持环204(图1B)附接到主轴。在一些实施例中，当主轴(例如主体104)因模态特性而发生弯曲时，粘弹性元件可以挠曲并耗散振动能。这有效地减小了结构部件101中的振动的共振振幅。阻尼装置200的长度为例如初始支柱长度的一部分，并可以在初始支柱长度的约20％至约70％的范围内。
应理解的是，图1A至图1F仅为了说明目的，并且可以改变、修改、添加或去除与这些附图有关的上述各种结构、部件、它们的位置和/或它们的功能。例如，一些结构和/或功能(例如阻尼元件、偏置部件等)可以根据需要分成多个实体、组合成单个实体或以不同数量和/或位置使用。
图2A至图2C是示例性阻尼装置200的一部分的另外的视图。图2A是转接器206的透视图。转接器206构造为将阻尼元件(例如208A或208B)固接到内部阻尼管(例如管部件202)的相反两端部上。如图所示，转接器206包括具有第一端206A、第二端206B和带螺纹的外主体206C的端头配件或连接部件。转接器206的保持器和/或保持部R与另一个保持部件(例如，图1E中的210)之间可以固定有阻尼装置(例如，粘弹性材料、金属网栅、摩擦阻尼元件、粘性流体等)。在一些实施例中，阻尼装置与保持部R和另一个保持部件(例如，图1E中的210)邻接。保持部件(例如，图1E中的210)可以布置在转接器206的第一端206A上和/或与第一端206A螺纹地接合。保持部R可以包括搁板、横档、壁部、凸缘等，这些部件适合于防止阻尼装置200在主管主体(例如，图1A中的104)中移位。第二端206B构造为螺纹接合至管部件202的一部分(图1E)，以将阻尼元件208A(图1E)附接至坚硬的管阻尼装置200(图1E)。
图2B和图2C示出了布置在阻尼装置中的阻尼元件208A和208B(在图2C中被称为“208A/B”)的实施例。在该实施例中，阻尼元件208A/B包括具有孔A的粘弹性体，孔A布置在阻尼元件主体的中心附近。阻尼元件208A和208B可以包括近似等于或稍小于结构部件(例如101)的内径的外径D1。阻尼元件208A和208B可以包括内径D2，内径D2近似等于将阻尼元件208A和208B固定至阻尼装置200的端头配件或转接器部件(例如206)。在一些方面中，阻尼元件208A和208B包括具有机加工的孔A的硅树脂体。阻尼元件208A和208B可以布置在阻尼装置(例如，图1B中的200)的相反两端上并挠曲，从而耗散插入有阻尼装置的结构部件101的振动能和/或共振。
应理解的是，图2A至图2C仅为了说明目的，并且可以根据需要改变、修改、添加或去除与这些附图有关的上述各种尺寸、大小、形状等。
图3是将根据目前公开的主题的实施例的衰减的弯扭响应和未衰减的弯扭响应进行比较的示例性曲线图。图3是具有阻尼和不具有阻尼的梁偏转(deflection)的频率下降的曲线图。可以利用布置在中空结构部件101内部的阻尼系统(例如，图1A中的100)或阻尼装置(例如，图1B中的200)来提供阻尼。阻尼系统及装置使结构部件101变硬，并且在不增加显著重量的情况下利用阻尼元件进行减振。在一些实施例中，对第一弯曲模态而言，阻尼装置提供了共振传递率的约28％的下降。在一些方面中，本文所述的阻尼元件构造为减小了结构部件101的至少第一弯曲模态的振幅。
在一些实施例中，本文所述的阻尼装置及系统仅向结构部件101添加最小量的重量。例如，本文所述的阻尼装置和/或系统可以使初始支柱(例如101)重量增加约14％以下。在一些实施例中，当如本文所述那样使振动有效地衰减时，可以减小根据共振产生的疲劳强度而设计的许多轴、支柱或梁的厚度。因此，本文所述的装置、系统及方法还可以允许支柱具有减小的厚度和/或直径。也就是说，包括阻尼元件的本文所述的结构部件101可以比可用的更厚(针对增大的疲劳强度而设计的)的支柱轻。
如图3所示，本文所述的阻尼系统和/或装置提供第一弯扭模态的频率的振幅的下降。图3示出了长细比为约18的标准梁的振幅的下降。如图3所示，阻尼装置和/或系统可以实现第一弯扭模态的共振频率的振幅的约60％下降。
图4是被简单支撑的结构部件101的主弯扭振型的曲线图。图4以曲线图示出了旨在利用本文所述的阻尼装置及系统来减小的振型的类型。在图4中，x轴为主轴总长度(例如，图1A中的101的长度)，而y轴为对于该轴而言的归一化偏转振型(deflected mode-shape)。
图4示出了被简单支撑的轴或支柱的最初三个主弯扭振型。模态1为被简单支撑的轴或支柱的第一固有频率处的振型，模态2为其第二固有频率处的振型，模态3为其第三固有频率处的振型。系列4表示内部阻尼元件(例如管部件202)的示例性长度。因此，除了使扭转模态最小之外，小型且轻质的内部阻尼元件还可以使最初三个弯曲模态的振幅最小，减小量为如上所指出的至少约20％至约60％以上。应理解的是，图3和图4是示例性的且仅为了说明目的。
考虑到本文所公开的主题的该说明或实践，对本领域的技术人员而言，本主题的其他实施例将是显而易见的。因此，前述说明书被认为仅是本主题的实施例，且本主题的真实范围由所附权利要求书限定。

Claims (16)

1.一种阻尼装置(200)，包括：
结构部件(101)；
管部件(202)，其布置在所述结构部件的内部，所述管部件具有第一端(E1)和第二端(E2)；
第一阻尼元件(208A)，其布置在所述管部件的所述第一端上；
第二阻尼元件(208B)，其布置在所述管部件的所述第二端上，
其中，所述第一阻尼元件(208A)和所述第二阻尼元件(208B)构造为相对于所述结构部件(101)挠曲，以耗散来自所述结构部件的能量，并减小所述结构部件的因振动所激发的模态特性而导致的弯曲；
其中，所述第一阻尼元件和所述第二阻尼元件中的至少一者包括弹簧元件(226A)，所述弹簧元件(226A)构造为将摩擦元件(222A)夹持至插入元件(220)，以产生用于减振的摩擦力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻尼装置在三个或更少个离散位置(I，II，III)处与所述结构部件物理接触。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻尼装置在所述结构部件的纵轴线的中间部(CL)附近的位置(II)处与所述结构部件物理接触。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述管部件包括在所述结构部件的长度的10％与80％之间的长度。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻尼元件和所述第二阻尼元件中的至少一者包括硅树脂。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻尼元件和所述第二阻尼元件中的至少一者包括金属网栅。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻尼元件和所述第二阻尼元件构造为相对于所述结构部件的内壁(104A)挠曲。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述管部件借助于保持环(204)、夹持件、粘合剂、铜焊或熔焊来附接至所述结构部件。
9.一种阻尼系统(100)，包括：
结构部件(101)，其包括至少一个内壁(104A)，所述结构部件(101)为中空的；以及
阻尼装置(200)，其布置在所述结构部件中，所述阻尼装置包括：
管部件(202)，其与所述结构部件同心；以及
至少一个阻尼元件(208A)，其被附接至所述管部件的一部分，所述阻尼元件布置在所述结构部件的所述内壁的一部分与所述管部件之间，
其中，所述阻尼元件构造为耗散振动，并减小所述结构部件的因所述结构部件的振动所产生的模态特性而导致的弯曲；
其中，所述至少一个阻尼元件包括弹簧元件(226A)，所述弹簧元件(226A)构造为将摩擦元件(222A)夹持至插入元件(220)，以产生用于减振的摩擦力。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述阻尼装置在至少两个或更多个接触点(I，II)处与所述结构部件的所述内壁物理接触。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，至少一个接触点(II)位于所述结构部件的纵轴线的中间部(CL)附近。
12.根据权利要求9所述的系统，还包括：
第一阻尼元件和第二阻尼元件(208A，208B)，其布置在所述管部件的相反两端(E1，E2)上。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述管部件包括在所述结构部件的长度的10％与80％之间的长度。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个阻尼元件包括硅树脂。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个阻尼元件包括金属网栅。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个阻尼元件构造为减小所述结构部件的至少第一弯曲模态的共振振幅。
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