CN108138894B - 旋转惯性质量减震器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转惯性质量减震器，其在具有过大加速度的振动受到输入的情况下，能够将对应该输入振动所产生的轴向反作用力抑制得尽可能小，而能够事先防止减震器本身或者构造物的破损，其包括：第一连接部(10)，其固定在第一构造体；第二连接部(11)，其连接在第二构造体；螺杆轴(30)，其一个轴端与所述第一连接部连接而保持为无法旋转；固定筒(20)，其具有收容所述螺杆轴的中空部，并且与所述第二连接部连接；以及旋转体(40、50、60)，其被保持为相对于所述固定筒旋转自如并且螺合在所述螺杆轴，并对应于所述螺杆轴对于所述固定筒的进退往复旋转；在所述螺杆轴的轴端与所述第一连接部之间设置有转矩限制构件(3)，在对于所述螺杆轴作用有超过规定值的旋转转矩时，该转矩限制构件(3)容许所述螺杆轴(30)对于所述第一连接部(10)的旋转而减低所述旋转体的旋转角。

Description

旋转惯性质量减震器
技术领域
本发明涉及一种旋转惯性质量减震器，该旋转惯性质量减震器安装在建筑物等构造物上，并用以减轻作用于该构造物的振动。
背景技术
作为旋转惯性质量减震器，已知有如专利文献1所公开的减震器。该旋转惯性质量减震器包括：螺杆轴，其具有螺旋状的阳螺纹，并且一端固定在构造物上；螺帽构件，其螺合在该螺杆轴上；外筒，其旋转自如地支承上述螺帽构件，并且固定在构造物上；以及附加锤(additional weight)，其利用上述螺帽构件被施加旋转。
若因地震等而使上述构造物所产生的相对振动输入到上述螺杆轴与上述外筒之间，则伴随着该振动，在上述螺杆轴产生轴向加速度，且该轴向加速度被转换为螺合在上述螺杆轴上的上述螺帽构件的角加速度。该角加速度传递至承载于上述螺帽构件的上述附加锤，而在该些螺帽构件及附加锤产生旋转。上述螺帽构件及上述附加锤成为一体而构成旋转体，该旋转体所产生的旋转转矩以该旋转体的惯性力矩与上述角加速度的乘积表示。并且，每当上述螺杆轴的轴向加速度反转时，该旋转转矩通过上述螺帽构件及螺杆轴而受到逆转换，并且作为轴向反作用力而作用于该螺杆轴。
如此，若使用使上述螺帽构件螺合在上述螺杆轴上的滚珠螺杆装置，将作用于上述构造物的振动转换为上述旋转体的旋转运动，则上述螺杆轴的轴向加速度在转换为上述螺帽构件的角加速度时，以对应于上述螺杆轴的阳螺纹的导程(1ead)的放大率受到放大。另外，在将上述旋转体所产生的旋转转矩逆转换为上述螺杆轴的轴向反作用力时，该旋转转矩也以对应于上述阳螺纹的导程的放大率受到放大。因此，即使在上述旋转体的质量较小时，上述旋转惯性质量减震器也能够将较大的反作用力施加螺杆轴，能够一面达成装置的小型化一面获得较大的振动降低效果。
另一方面，因为上述旋转体所产生的旋转转矩以该旋转体的惯性力矩与上述角加速度的乘积表示，所以若从构造物对于上述螺杆轴输入过大的轴向加速度，其受到放大而在上述螺帽构件产生过大的角加速度，则上述旋转体所产生的旋转转矩也成为过大。因此，若该旋转转矩直接逆转换为螺杆轴的轴向反作用力，则可能发生上述螺杆轴或上述螺帽构件破损的情况，另外，即使该些螺杆轴及螺帽构件未破损，仍有来自该旋转惯性质量减震器的过大的轴向反作用力作用于构造物，并该轴向反作用力导致构造物破损的可能性。
关于这点，在专利文献1所示的旋转惯性质量减震器中，在上述螺帽构件与上述附加锤之间设置有摩擦构件，而设定了在上述螺帽构件与上述附加锤之间所传递的旋转转矩的上限值。因此，若在上述螺帽构件与上述附加锤之间所传递的旋转转矩超过上述摩擦构件所设定的上限值，则上述螺帽构件从上述附加锤拆下，使上述旋转体的惯性力矩为仅因上述螺帽构件引起的惯性力矩。由此，逆转换为上述螺杆轴的轴向反作用力的旋转转矩受到抑制，而能够防止过大的轴向反作用力作用于上述螺杆轴。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本公报、特开2011-144831号
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1所公开的旋转惯性质量减震器中，因为在上述螺帽构件与上述附加锤之间设置有上述摩擦构件，所以即使摩擦构件滑动而使上述附加锤与上述螺帽构件分离，上述螺帽构件本身也会以将上述螺杆轴的轴向加速度放大了的角加速度进行旋转。因此，虽然旋转体的惯性力矩为仅因螺帽构件引起的惯性力矩，但若对于上述螺杆轴输入有过大的轴向加速度，则有其受到放大而在上述螺帽构件产生较大的旋转转矩，而该旋转转矩受到逆转换而产生较大的轴向反作用力的情况，因此，担忧该轴向反作用力导致构造物破损。
用于解决课题的手段
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种旋转惯性质量减震器，该旋转惯性质量减震器在具有过大加速度的振动受到输入的情况下，能够将对应于该输入振动所产生的轴向反作用力抑制得尽可能小，而能够事先防止减震器本身或者构造物的破损。
即，本发明是一种旋转惯性质量减震器，其包括：第一连接部，其固定在第一构造体；第二连接部，其连接在第二构造体；螺杆轴，其在外周面上以规定的导程形成有螺旋状螺纹槽，并且一个轴端与所述第一连接部连接而保持为无法旋转；固定筒，其具有收容所述螺杆轴的中空部，并且与所述第二连接部连接；以及旋转体，其被保持为相对于所述固定筒旋转自如并且螺合在所述螺杆轴，并对应于所述螺杆轴对于所述固定筒的进退往复旋转；将唯一由所述第一连接部与所述第二连接部之间的距离的变动以及所述螺杆轴的导程所决定的旋转角施加给所述旋转体，而使作用于所述第一构造体与所述第二构造体之间的振动能衰减。并且，在所述螺杆轴的轴端与所述第一连接部之间设置有转矩限制构件，在对于所述螺杆轴作用有超过规定值的旋转转矩时，该转矩限制构件容许所述螺杆轴对于所述第一连接部的旋转而减低所述旋转体的旋转角。
(发明效果)
根据本发明，当因作用于上述第一构造体与第二构造体之间的振动引起而对于上述螺杆轴作用有超过规定值的旋转转矩时，设置在上述第一连接部与上述螺杆轴的轴端之间的转矩限制构件产生作用，上述螺杆轴旋转，从而形成在该螺杆轴上的阳螺纹槽的导程模拟性地增加。由此，能够将上述旋转体所产生的角加速度抑制得较小，并能够将对应于输入振动所产生的轴向反作用力抑制得较小，而能够事先防止减震器本身或者构造物的破损。
附图说明
图1是表示本发明的旋转惯性质量减震器的一例的示意图。
图2是表示构成旋转惯性质量减震器的减震器本体的一例的立体图。
图3是表示构成旋转惯性质量减震器的转矩限制构件的一例的立体图。
具体实施方式
以下，使用附图，对本发明的旋转惯性质量减震器进行详细说明。
图1是表示适用本发明的旋转惯性质量减震器的一例的图。该旋转惯性质量减震器1包括固定在包含例如大楼、塔、桥梁等构造物的系统内的各个部位(第一构造体及第二构造体)处的第一连接部10及第二连接部11。所谓包含构造物的系统，系指包含固定有该构造物的基础地基的意义，例如，除了包含在构造物的内部配置有衰减装置的情况之外，还包含上述第一连接部10固定在构造物上，第二连接部11固定在基础地基上的情况。
若上述构造物振动，则在固定在该包含构造物的系统的各个部位处的上述第一连接部10与第二连接部11之间产生轴向的相对位移，本发明的旋转惯性质量减震器1将该相对位移通过以螺杆轴及螺帽构件所成的螺杆转换机构转换为飞轮(flywheel)的旋转运动。由上述飞轮及上述螺帽构件所成的旋转体所产生的旋转转矩，通过上述螺杆转换机构而逆转换为上述螺杆轴的轴向反作用力，并且，产生了上述相对位移的振动能，通过该轴向反作用力而衰减。
该旋转惯性质量减震器1大体上包括减震器本体2、以及与上述减震器本体2串联连接的转矩限制构件3。上述转矩限制构件3设置在上述减震器本体2与上述第一连接部10之间，上述减震器本体2设置在上述转矩限制构件3与上述第二连接部11之间。
图2是表示上述减震器本体的一例的立体图。上述减震器本体2包括：固定筒20，其形成为具有中空部的圆筒状；螺杆轴30，其插入至该固定筒20的中空部内；螺帽构件40，其通过多个滚珠螺合在该螺杆轴30；圆筒状的轴承壳体50，其相对于上述固定筒20旋转自如地受到支承，并且与上述螺帽构件40结合；圆筒状的飞轮60，其固定在该轴承壳体50；以及转子构件80，其相对于上述固定筒20旋转自如地受到支承，并且与上述飞轮60结合。
上述固定筒20通过球接头21结合在上述第二连接部11。上述球接头21构成为吸收上述固定筒20的中心轴对于上述第二构造体的角度位移，并且卡止绕上述固定筒20的中心轴的旋转。另外，上述转矩限制构件3也同样地通过球接头结合在上述第一连接部10。
在上述固定筒20与上述轴承壳体50之间设置有轴承(未图示)，上述轴承壳体50相对于上述固定筒20旋转自如地受到支承。另外，在上述轴承壳体50的轴向的一端固定有上述螺帽构件40，构成为若该螺帽构件40旋转则轴承壳体50与螺帽构件40一起相对于上述固定筒20产生旋转。
上述螺杆轴30及螺帽构件40构成所谓滚珠螺杆装置。在上述螺杆轴的外周面上以规定的导程形成有螺旋状螺纹槽，内置在上述螺帽构件的多个滚珠在上述螺纹槽内滚动。由此，在上述螺杆轴30与上述螺帽构件40之间能够将轴向的直线运动与上述螺杆轴周围的旋转运动进行相互转换，当对上述螺杆轴30施加轴向的直线运动时，上述螺帽构件40在上述螺杆轴30的周围产生旋转运动，并且，当对上述螺帽构件40施加旋转运动时，上述螺杆轴30朝向轴向产生直线运动。
因为上述螺杆轴30的轴端通过上述转矩限制构件3固定在第一构造体，所以当地震等使得上述第一连接部10与上述第二连接部11之间产生相对位移，而该螺杆轴30朝向轴向产生直线运动时，相对应于此，螺帽构件40在螺杆轴30的周围旋转，且该旋转被传递至上述轴承壳体50。另外，在从上述飞轮60突出的螺杆轴30的一端设置有后述的传递轴32，该传递轴32插入至上述转矩限制构件3内。
在上述轴承壳体50的外侧，设置有圆筒状的飞轮60。该飞轮60固定在上述轴承壳体50，并构成为与上述螺帽构件40及上述轴承壳体50一体地旋转。另外，因为上述轴承壳体50能够相对于固定筒20自由地旋转，所以上述飞轮60也能够相对于上述固定筒20自由地旋转。
另一方面，在上述固定筒20的周围设置有上述转子构件80。该转子构件80通过旋转轴承而被支承在固定筒20的外周面，并通过端板61结合在上述飞轮60，并且构成为伴随着上述飞轮60的旋转而在上述固定筒20的周围旋转。
上述转子构件80的内周面与固定筒20的外周面隔着些微的间隙相对置，该间隙为粘性流体的密闭空间。因此，当转子构件80旋转时，剪切阻力作用于填充于上述密闭空间内的粘性流体，转子构件80的旋转运动的能量衰减、甚至是飞轮60的旋转运动的能量衰减。
图3是表示上述转矩限制构件3的一例的图。该转矩限制构件3包括：外筒构件31，其形成为具有中空部的圆筒状；传递轴32，其插入至上述外筒构件31的中空部内；旋转轴承33，其配置在上述外筒构件31的中空部内，并在该中空部内保持上述传递轴32；以及多个摩擦构件34，其被压靠在上述传递轴32，并卡止该传递轴32对于上述外筒构件31的旋转。
形成在上述外筒构件31的中空部的在轴向上的一端，利用盖构件35所封闭。在该盖构件35的中央固定有连接轴36，且在该连接轴36的前端一体地设置有球头销(ballstud)，但是球头销在图3中省略表示。上述球头销通过球接头卡合在上述第一连接部10，且吸收旋转惯性质量减震器1对于上述第一构造体的角度位移。
在上述外筒构件31的中空部插入有上述传递轴32。该传递轴与上述螺杆轴30呈一体旋转而传递旋转转矩，并且在与该螺杆轴之间传递轴向载荷(轴力)，该传递轴与上述螺杆轴可以形成为一体，也可以通过接头与螺杆轴连接。为了一边承受作用于上述外筒构件31与上述传递轴32之间的径向载荷及推力载荷，一边将该传递轴32保持为相对于上述外筒构件31旋转自如，上述旋转轴承33采用一对双列滚轮轴承。各双列滚轮轴承为所谓的角接触轴承(angular contact bearing)，并具有自转轴以90度的角度交叉的两列滚轮列，并且，构成各滚轮列的滚轮的自转轴相对于上述传递轴32的轴向以45°的角度倾斜。由此，能够在上述外筒构件31与上述传递轴32之间传递较大的轴向载荷。
进而，上述多个摩擦构件34以包围上述传递轴32的方式配置在上述外筒构件31与该传递轴32之间，并与凸缘部37接触，该凸缘部37在上述传递轴32的外周面上突出。各摩擦构件34以无法朝向上述外筒构件31的圆周方向移动并且朝向半径方向移动自如的方式配置。在上述外筒构件31螺合有多个调整螺丝38，通过紧固各调整螺丝38，从而上述摩擦构件34朝向上述传递轴32的凸缘部37进出，并能够调整上述摩擦构件34对于上述凸缘部37的按压力。即，在上述摩擦构件34与上述凸缘部37之间作用有对应于上述调整螺丝38的紧固量的摩擦力，上述摩擦构件34作为停止上述传递轴32的旋转的制动片而发挥功能。
因此，当设想旋转转矩作用于上述传递轴32的状态时，若上述凸缘部37与上述摩擦构件34之间所产生的摩擦力大至足以抵抗上述旋转转矩而将上述传递轴32保持为非旋转的程度，则上述传递轴相对于上述外筒构件31非旋转受到保持。相反地，若上述凸缘部37与上述摩擦构件34之间所产生的摩擦力小，则上述摩擦力无法抵抗上述旋转转矩而停止上述传递轴32的旋转，因此该传递轴32相对于上述外筒构件31产生旋转。
即，上述转矩限制构件3作为转矩限制器而发挥功能，只要当作用于上述传递轴的旋转转矩、换言之作用于上述螺杆轴的旋转转矩，为通过紧固上述调整螺丝而设定的制限转矩以下时，上述传递轴32及上述螺杆轴30被保持为不致相对于上述外筒构件31旋转。另一方面，当作用于上述螺杆轴30的旋转转矩超过通过紧固上述调整螺丝38而设定的限制转矩时，上述传递轴32及上述螺杆轴30相对于上述外筒构件31产生旋转。
在如上所述那样构成的旋转惯性质量减震器1中，当在上述第一连接部10与第二连接部11之间作用有相对的振动时，在上述转矩限制构件3与上述螺杆轴30之间传递轴向载荷，因此，对于上述螺杆轴30作用有轴向加速度，上述振动使得螺杆轴30相对于上述固定筒20朝向轴向进行直线运动。此时，作用于上述螺杆轴30的轴向加速度a，通过下式(1)被转换为上述螺帽构件40的角加速度α。在下式(1)中，L0为形成在上述螺杆轴30上的螺纹槽的导程。另外，在上述螺帽构件40、上述轴承壳体50以及上述飞轮60呈一体的旋转体中产生有角加速度α所造成的旋转转矩。该旋转转矩T通过下式(2)所表示。在该下式(2)中的I为由上述螺帽构件40、上述轴承壳体50以及上述飞轮60所构成的旋转体的惯性力矩。
α＝(2π/L0)×a (1)
T＝I×α＝I×(2π/L0)×a (2)
上述旋转体所产生的旋转转矩T通过上述螺帽构件40而再转换，成为轴向的惯性力Q。该轴向惯性力Q通过下式(3)所表示。
Q＝T×(2π/L0)＝(2π/L0)2×I×a＝M×a (3)
如该式(3)所示，轴向惯性力Q能够视为轴向加速度a与对于轴向等效的质量M＝(2π/L0)2×I的乘积，该旋转惯性质量减震器1可以说是具有对于轴向等效的质量M的减震器。
从式(1)至(3)可知，若上述旋转体的惯性力矩I越小、或是上述螺杆轴30的导程L0越大，则对于轴向等效的质量M变小，假设使作用于上述螺杆轴30的轴向加速度为恒定，则作用于上述旋转体的旋转转矩T、作用于上述螺杆轴30及上述固定筒20的轴向反作用力变小。
当轴向加速度a作用于上述螺杆轴30，而由此在上述旋转体(上述螺帽构件40、上述轴承壳体50及上述飞轮60)产生旋转转矩T时，作为其反作用而对于上述螺杆轴30作用有相同大小的反向旋转转矩。由于插入至上述转矩限制构件3内的上述传递轴32与上述螺杆轴30一体设置，因而上述旋转转矩T直接作用于上述转矩限制构件3的传递轴32。
当作为转矩限制器的上述转矩限制构件3抵抗上述旋转转矩T而将上述传递轴32保持为非旋转时，即，当上述螺杆轴30不产生旋转而与上述固定筒20之间产生直线运动时，对上述旋转体施加有对应于上述螺杆轴30的螺纹槽的导程的旋转角。
另一方面，当作用于上述螺杆轴30的旋转转矩T较大，而上述转矩限制构件3无法将上述传递轴32保持为非旋转时，即，当上述螺杆轴30相对于上述固定筒20产生旋转时，该螺杆轴30一边相对于上述螺帽构件40产生旋转一边相对于上述固定筒20朝向轴向直线运动。此时，即使上述螺杆轴朝向轴向的移动量相同，与该螺杆轴30被保持为非旋转的情况相比，上述螺帽构件40的旋转角减少，上述螺杆轴30的导程L0模拟性地增加。
即，在该第一实施方式的旋转惯性质量减震器1中，当超过上述转矩限制构件3所设定的限制转矩的旋转转矩作用于上述螺杆轴30时，该螺杆轴产生旋转，从而该螺杆轴的导程L0模拟性地增加，由此旋转转矩T及轴向惯性力Q减少。特别是，如式(3)所示，轴向惯性力Q与上述螺杆轴30的导程L0的平方的倒数成比例，因此若导程L0增加，则轴向惯性力Q大幅减少。
因此，当安装了该旋转惯性质量减震器1的构造物因巨大地震等而振动，在上述第一连接部10与上述第二连接部11之间产生加速度过大的轴向位移时，上述螺杆轴30旋转，由此作用于上述旋转体的旋转转矩T被抑制为上述转矩限制构件3所设定的限制转矩的范围内，因而从旋转惯性质量减震器作用于构造物的轴向反作用力也受到抑制。

Claims (2)

1.一种旋转惯性质量减震器，其包括：
第一连接部(10)，其固定在第一构造体；
第二连接部(11)，其连接在第二构造体；
螺杆轴(30)，其在外周面上以规定的导程形成有螺旋状螺纹槽，并且一个轴端与所述第一连接部连接而保持为无法旋转；
固定筒(20)，其具有收容所述螺杆轴的中空部，并且与所述第二连接部连接；以及
旋转体(40、50、60)，其被保持为相对于所述固定筒(20)旋转自如并且螺合在所述螺杆轴(30)，并对应于所述螺杆轴(30)对于所述固定筒(20)的进退往复旋转；
将唯一由所述第一连接部(10)与所述第二连接部(11)之间的距离的变动以及所述螺杆轴(30)的导程所决定的旋转角施加给所述旋转体，而使作用于所述第一构造体与所述第二构造体之间的振动能衰减，
在所述螺杆轴(30)的轴端与所述第一连接部(10)之间设置有转矩限制构件(3)，在对于所述螺杆轴(30)作用有超过规定值的旋转转矩时，该转矩限制构件(3)容许所述螺杆轴(30)对于所述第一连接部(10)的旋转而减低所述旋转体(40、50、60)的旋转角，
该旋转惯性质量减震器的特征在于，
所述转矩限制构件(3)包括：连接轴(36)，其与所述第一连接部(10)非旋转地连接；传递轴(32)，其相对于所述连接轴(36)旋转自如地受到保持，并且相对于所述螺杆轴(30)非旋转地受到保持；旋转轴承(33)，其在所述连接轴(36)与所述传递轴(32)之间传递轴向载荷，并且将所述传递轴(32)相对于所述连接轴(36)旋转自如地进行保持；以及摩擦构件(34)，其压接在所述传递轴(32)，并卡止所述传递轴(32)对于所述连接轴(36)的旋转。
2.如权利要求1所述的旋转惯性质量减震器，其特征在于，
所述旋转轴承(33)具有自转轴以90度的角度交叉的两列滚轮列，并且，构成各滚轮列的滚轮的自转轴相对于所述传递轴(32)的轴向以45°的角度倾斜。
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