CN110192044A - 紧凑的空间的椭圆体质量摆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间质量摆，所述质量摆包括摆质量(12)和至少三个、优选地四个摆杆(14)。所述摆杆(14)围绕所述摆质量(12)分布地设置，并且分别在第一耦联点处耦联到物体(10)上并且在第二耦联点处耦联到所述摆质量(12)的下部段上。至少两个摆杆(14)确定尺寸成并且张开地设置成，使得在所述摆杆的第一耦联点之间的间隔大于在所述摆杆的第二耦联点之间的间隔，使得在所述摆质量(12)运动时，通过所述摆杆(14)在虚拟椭圆体的表面上引导所述摆质量的重心。

Description

紧凑的空间的椭圆体质量摆
技术领域
本发明涉及一种空间质量摆。此外，本发明涉及一种设有这种质量摆的物体。
背景技术
从很久以来已经将在重力场中作用为重力摆的大的质量摆用作用于建筑的减震器。它们用于减缓尤其由风、波动、地震、爆炸、人为影响(人员运动等)产生的振动。对于激励至振动的建筑，产生应力，所述应力引起在强度、稳定性、耐久性或存在的人员的安全性和舒适性方面的重要问题。对于质量摆在建筑中或建筑上的经典的应用情况例如是高楼、塔和人行天桥。但是，质量摆也可以在船或其他物体中应用，所述船或其他物体的振动是不期望的并且应该降低。
已知不同构造类型的质量摆。基本上，与相应的具体构造方式无关，每种质量摆基本上由以合适的方式能够振动地与物体连接的质量(摆质量、振动质量)构成。不同的构造类型以质量耦联到物体上的类型并且以衰减的类型区分。
在其作为减震器的应用中的质量摆的衰减方面公知的是，将摆质量能够振动地悬挂在待保护的物体处并且在摆质量与物体之间设置衰减元件。在此，质量摆的振动持续时间与物体的待克服的振动持续时间相协调。通常，这是从模态分析中计算地求取的或在实际物体处测量的最低的谐振频率。如果将物体激励至振动，则质量摆经受相移的振动运动。相对运动通过衰减元件衰减进而从整个系统中提取定向的机械能并且通常消散成热能。借此，在合适的协调下，不仅待保护物体的振幅而且待保护物体的后振动持续时间明显降低。
在常见的质量摆的构造类型方面已知的是，将摆质量经由近似平行的摆杆铰接地悬挂在待保护物体处。通过所述设置，产生球摆(球面摆)，在所述球摆的情况下，摆质量在振动过程期间在球的表面上对称地运动。在此，质量摆的振动持续时间可以与任意的预设的振动持续时间相协调，例如与在其处固定摆的物体的谐振频率相协调。
传统的重力摆的振动持续时间T(振动频率f的倒数值)决定性地通过摆长lp根据公式确定(g：地球的下落加速度)。在旋转物体中作为离心力摆应用的情况下，替代下落加速度g使用离心加速度aZF。摆质量MP的大小、其分布(惯性矩Ix，Iy)以及摆杆仅具有非常小的、对于实际尺寸大多可忽略的影响。
除了实施为简单的球摆之外，存在如下结构：所述结构在折叠的双摆中设置摆质量或者在水平平面上或以负的弯曲半径引导耦联到主质量上的副质量。在此，力争达到的目的是，要么在显著更小的构造高度中实现对于预设的振动持续时间需要的摆长(由于振动持续时间相对于摆长的开根号成比例，所述摆长在升高的振动持续时间下平方式地延长)，要么对于非对称地围绕主轴线振动的物体、例如具有非对称的平面图的高楼，能够实现两个主轴线的不同的协调。
在已知的质量摆中的缺点是，在长的振动持续时间中系统引起地非常大的构造高度以及因此有价值的构造体积的损失。所提及的变型方案需要技术上耗费的、成本集中的结构，其中，有时使用具有更高的摩擦的直线的引导元件，所述引导元件导致质量摆的更坏的响应性能。通常的简单的球摆仅能够实现方向无关的振动持续时间，使得所述球摆仅适合于对称振动的物体。在所实施的物体中，经常显示，过长地求取其计算地预测的振动持续时间。例如，高楼的实际刚性在相应更短的(实际测量的)振动持续时间情况下经常更大并且由于二次方的相关性在装入时需要摆长的显著缩短。就此而言，起初计划的用于事后协调的缓冲构造高度同样不能够使用。
发明内容
本发明的目的是，提出用于质量摆的替选的解决方案，所述解决方案避免上述缺点。为此构造的质量摆应该具有小的构造高度，可在两个水平的主轴线上分开地协调，在好的响应性能下基本上无磨损，以小的几何形状变化有效地与所计划的振动持续时间相协调，并且可成本有利地实现。
所述目的通过具有权利要求1的特征的质量摆解决。根据本发明的质量摆的有利的和符合目的的设计方案在从属权利要求中说明。
根据本发明的空间质量摆包括摆质量以及至少三个、优选地四个摆杆。这些摆杆围绕摆质量分布地设置并且分别在第一耦联点处耦联到物体上并且在第二耦联点处耦联到摆质量的下部部段上。摆杆中的至少两个确定尺寸成并且张开地布置成，使得在其第一耦联点之间的间隔大于在其第二耦联点之间的间隔，使得在摆质量运动时，其重心通过摆杆在虚拟椭圆体的表面上引导。
根据本发明，摆质量通过基本类型的具有至少三个、通常四个摆杆的“空间双内摆臂”合适的结构引导，这些摆杆规则地或不规则地在环周处分布地在摆质量的下部区域中连接。摆质量的重心在椭圆体的表面上运动，其中，在主轴线(x和y方向)上不同地可选的曲率半径基本上确定所希望的摆长进而确定在两个主轴线的方向上的振动持续时间。不设有用于引导或另外影响摆质量的运动轨道的其他装置。
摆杆的根据本发明预设的张开幅度可以尤其通过具有不等于0°的角度的相同长度的摆杆的设置(不平行的设置)和/或通过使用不同长度的摆杆和/或相应的第一和/或第二耦联点关于竖轴(z方向)的不同坐标实现。
本发明基本上基于如下认知：通过四环节的铰接链(耦联传动装置)的合适的设计，能够在平面中在受限的区域中近似直线地引导点。所基于的平面的机构基于前述对称的具有子类型罗伯茨式转向机构(在英文中已知为“Roberts(Straigt Line)Mechanism：罗伯茨(直线)机构”)的双内摆臂。以双内摆臂的合适匹配的几何尺寸，也能够确定振动耦联的对称点，所述对称点在限定的圆形的轨道上运动，所述轨道的半径——如对于在此要求的应用那样——明显大于耦联传动装置的机构的高度并且所述轨道的中点由此处于外部，也就是说，在摆的当前应用情形下处于所述机构上方。基于此，能够构造非常紧凑的平面的质量摆。
在本发明中，此外，将平面的方案变换到具有至少三个、通常四个摇臂(在此摆杆)的空间的机构上。借助几何参数的匹配，可将摆质量重心的具有限定的曲率半径(相同的摆长)的轨道曲线对于x和y方向分开地协调。
所有质量摆基于周期性将摆质量的势能从更高放置的、侧向移动的点在重力场(或离心力场)中转换成在轨道曲线的最深点(静止点)中的动能的物理效应。在作为数学摆的简化方案中，假设点状集中的摆质量以及无质量的摆杆。由此，在运动方程中仅考虑摆质量的平移运动的动能。对于传统的球摆，相对于实际的振动持续时间的偏差是可忽略的，因为摆质量仅达到小的角速度并且由此旋转能量在总的动能中的分量是小的。
然而，在根据本发明的作为空间双内摆臂的实施方案中，耦联机构以及连接的摆质量达到显著更高的角速度，使得旋转能量的分量更大并且将匹配的运动方程用于物理摆。因此，在悬挂机构的不变的几何尺寸下，通过摆质量的更大的惯性矩延长振动持续时间。
摆质量的重心应该处于第二耦联点上方，以使得能够尽可能充分利用摆构造高度的以本发明可实现的减小。
摆质量形成质量摆的机构的整体的组成部分并且自身能够承担耦联元件的功能。这意味着，摆杆借助合适的铰接机构耦联到摆质量上。然而，替选地，可以设置独立的耦联元件、尤其板，摆质量固定在所述耦联元件上。在这种情况下，经由耦联元件实现摆杆耦联到摆质量上。
根据本发明的一个特别优选的实施方式，提出摆杆的一个设置，所述设置能够实现质量摆的振动持续时间在两个水平的主方向上的彼此独立的调节。在此，至少一个摆杆与在摆质量的水平的环周方向上相邻的第一摆杆一起形成第一张开幅度并且与在摆质量的水平的环周方向上相邻的另一第二摆杆一起形成与第一张开幅度不同的第二张开幅度。质量摆在一方向上的振动持续时间(进而振动频率)在根据本发明的结构中即(除了系统高度hz之外)决定性地通过摆杆在所述方向上的有效的张开幅度确定，使得在不同方向上的不同张开幅度引起在所述方向上的不同振动持续时间。
此外，质量摆可以设计用于实施围绕竖轴的扭转振动。因此，所述质量摆同样具有围绕z轴的旋转自由度并且可以与围绕相应于摆质量的对称轴线的所述竖轴(垂直轴)的扭转振动相协调并且必要时衰减。
本发明的目的也通过能够振动的或不能够振动的物体解决，所述物体设有上述类型的质量摆。
在此，“不能够振动的物体”应理解为用作用于质量摆的承载件的结构，其中，但是，主要目的不是所述物体的振动的衰减。更确切地说，本发明在这种情况下针对独立可协调的摆，以便开发具有相应的运动轨道的骑乘设施或探测器。
然而，本发明的主要应用中的一个主要应用是如上所述的质量摆作为减震器的使用。对于所述应用情况，本发明提出能够振动的物体、例如建筑，所述建筑设有根据本发明的质量摆以及至少一个衰减元件。衰减元件一方面直接或间接耦联到摆质量上并且另一方面直接或间接耦联到待衰减的物体上。
附图说明
本发明的其他特征和优点由以下描述和由所参照的附图得出。附图示出：
图1示出具有尺寸的经典球面摆的侧视图；
图2示出具有尺寸的实际实施的双摆的侧视图；
图3示出根据本发明的具有四个摆杆的质量摆的立体视图；
图4a示出根据本发明的具有尺寸的质量摆的第一侧视图；
图4b示出图4a中的具有尺寸的质量摆的以90°转动的第二侧视图；
图5示出图1和图2和图4a或4b中的摆之间的尺寸比较；
图6a示出根据本发明的质量摆在静止状态中的侧视图；
图6b示出图6a中的质量摆在偏转状态中的侧视图；以及
图7示出根据本发明的具有八个摆杆的对称实施的质量摆的立体视图。
具体实施方式
对于所有几何观察，基于笛卡尔坐标系，其中，彼此垂直的x和y轴展开水平的平面并且与x和y轴又垂直的z轴示出垂直的竖轴。
为了阐述本发明，根据图1和图2和图4示例性地描述三个基于不同结构的摆，这些摆基本上都适合于作为用于实际实施的物体的减震器。对于设计用于风速至190km/h以及地震至里氏强度9级的209米高(z方向)的建筑物，需要450吨的摆质量。通过其非对称的平面图决定地，该建筑物具有不同的水平固有频率：在x方向上fx＝0.25Hz以及在y方向上fy＝0.16Hz。
如其在图1中示出，在y方向上使用经典的球面摆用作用于所述建筑物的减震器。具有MP＝450吨的摆质量12在四个摆杆14处在物体10处、在此在所述建筑物的最上部区域中的顶部处悬挂。四个摆杆14中，在图1的侧视图中仅可看见两个。摆杆14在摆质量的外环周上分布地设置。摆杆14中的每个在一侧耦联到摆质量12的下部区域中的位置上并且在另一侧耦联到物体10的向下打开的区域中的位置上，使得摆质量12在静止状态中在四个基本上平行定向的摆杆处自由悬挂，也就是说，耦联位置允许摆质量12在所有可能的运动方向上的基本上不受限的偏转。
为了在图1中示出的摆的情况下实现摆质量12的fy＝0.16Hz的固有振动频率，根据开始提到的公式需要9.7m的摆长lP。摆长lP从摆质量12的重心S(质量中心)到达直至摆质量12的虚拟的悬挂点A，所述虚拟的悬挂点相应于通过摆杆14的设置预设的虚拟的球面的中心，摆质量12的重心可以在所述球面上运动。
如其在图2中示出，基于在建筑物的顶端处的变窄的空间关系以及在x和y方向上的不同的振动频率，替代于经典的球面摆实施具有分开的摆杆的双摆。在四个摆杆14(1)处，悬挂有框架结构24，在所述框架结构中，又借助另外四个摆杆14(2)悬挂具有MP＝450吨的摆质量12。在x方向上，通过直线的引导机构阻止摆杆14(2)的运动，使得在x和y方向上得出不同的摆长和振动频率。从摆杆14(1)和14(2)，可在图2的侧视图中分别看出仅两个杆。
以所述结构，已经能够明显降低摆的构造高度，因为虚拟的悬挂点A进一步向上移动。在此，对于具有fy＝0.16Hz的振动的lPy＝9.7m的摆长面对仅7.3m的构造高度。当然，基于作为双摆的耗费的实施方案，对于整个系统在8.0m x 8.0m x 7.3m的外部尺寸下得出570吨的重量，尤其有条件地通过多个摆杆和框架结构24得出。
在图4中示出根据本发明的质量摆，所述质量摆在要求的功能方面等同于根据图2所实施的双摆并且以下更详细地描述。为了更好理解，在此，也参照根据本发明的质量摆的示意性的立体示图，在所述示图中，确定的组件可更好地识别。
具有MP＝450吨的摆质量12由具有4.4m直径和3.8m高度的直立的钢圆柱构成。摆质量12以四个摆杆14在物体10处、在此在建筑物顶部悬挂。摆杆14的上端部在第一耦联点处借助铰接支承机构16可自由旋转地耦联到建筑物顶部处，而摆杆14的下端部在下耦联点处借助铰接支承机构18可自由旋转地，要么，如在图3中示出，固定到呈板等形式的耦联元件20处，要么，如在图4a和图4b中示出，在其下区域中直接耦联到摆质量12处，摆质量12直立地固定在所述耦联元件上。在第一情况下，耦联元件20的质量可视为摆质量12的组成部分。在每种情况下，摆质量12的重心S都处于下耦联点的上方。
四个摆杆14在摆质量12的环周上分布地设置，其中，摆杆在环周方向上可以具有彼此相同的或不同的间隔。
在质量摆与物体10之间，设置有一个或多个衰减元件22。衰减元件22可以直接作用在摆质量12处，或，如在图3中示出，作用在耦联元件20处。
在x方向上，能够以垂直设置的4.0m长的摆杆14获得相比于y方向更高的fx＝0.25Hz的振动频率(参见图4b)。对于在y方向上的0.16Hz的更低的振动频率，摆杆14从3.2m张开到5.9m地固定在建筑物顶部处。这意味着，摆杆14的下耦联点在y方向上具有3.2m的间隔，而在上耦联点之间的间隔在相同的方向上是5.9m(参见图4a)。
尽管整个系统的高度也相对于在图2中示出的双摆再一次明显减小，然而所述特别的悬挂对于在y方向上的振动得出9.7m的物理摆长。更确切地说，对于根据本发明的摆根据图4仅需要大约6.0m x 6.0m x 4.5m的总构造空间(包括用于振动运动的自由空间以及用于耦联元件的构造空间)。
在图5中，在图1、图2和图4中示出的摆再一次从右向左在彼此并排设置中示出，以便阐明尺寸关系。尤其根据本发明的摆的仅4.5m的构造高度明显小于在经典的球面摆的y方向上通常需要的大约10.2m的摆长也小于7.3m的双摆的摆长。
图6a和图6b概括地示出根据本发明的具有张开设置的摆杆14的悬挂(在图6a中的静止状态)以及由此得出的在x方向或y方向上的平面上的振动(在图6b中的偏转状态)。在相应的平面中，摆质量12的重心S在圆形轨道上运动。总之，重心S即可以在通过两个主轴线(x和y轴)确定的虚拟的椭球体的表面上运动，所述两个主轴线又相应于在x和y方向上的摆长lPx、lPy。两个摆长lPx、lPy可以通过相应的系统高度hz和摆杆14的张开程度不同大小地选择。这意味着，能够使质量摆的决定性地与摆长相关的振动持续时间在两个主方向上彼此分开地协调。
在图7中，示例性地示出具有多个、在此八个摆杆14的对称实施的质量摆的另一实施方式。在所述实施方式中，所有摆杆14彼此相对张开地设置，也就是说，在两个任意摆杆14之间的间隔在其下耦联点处小于在上耦联点处。对于比较：在图4a和图4b中示出的实施方式中，这仅适用于在两个水平的主方向中的一个主方向(y方向，参见图4a)上相邻的摆杆14，而在另一主方向(x方向，参见图4b)上相邻的摆杆14在上和下耦联点之间基本上具有相同的间隔。
由以上实施方式得出，本发明显然不受限于上述实施例。一般地，本领域技术人员看出，基于新型的结构在预设的摆质量下能够通过摆杆的合适的张开的设置实现所希望的振动频率，必要时也在两个主方向上实现不同的频率，其中，摆构造高度相对于已知的结构能够显著减小。为此，基本上需要至少三个摆杆，然而，通常应该使用四个摆杆，必要时但是也可以使用更多的摆杆。
作为应该衰减其振动的能够振动的物体10，除了建筑物如高楼、塔、桥等之外也考虑船、离岸设备、振动的或旋转的机器部件如转子或转子叶片以及任意其他结构。
此外，本发明作为独立可协调的摆的、不耦联到振动的物体上的应用是可行的，以便例如借此开发骑乘设施或探测器。可以将紧凑的可调节的运动机构在最简单的情况下用于引导在椭球体的表面上的点。
相应的摆杆14可以实施为具有合适的第一和第二铰接支承机构16、18的刚性元件或实施为功能上等价的弯曲柔性的牵拉元件如绳索、带、链、张紧元件等，所述牵拉元件允许在耦联点处的旋转。
附图标记列表
10 物体
12 摆质量
14 摆杆
16 第一(上)耦联点(铰接支承机构)
18 第二(下)耦联点(铰接支承机构)
20 耦联元件
22 衰减元件
24 框架结构

Claims (7)

1.一种空间质量摆，具有摆质量(12)、至少三个优选四个摆杆(14)，所述摆杆围绕所述摆质量(12)分布地设置，并且分别在第一耦联点处耦联到物体(10)上并且在第二耦联点处耦联到所述摆质量(12)的下部部段上，其中，至少两个摆杆(14)确定尺寸成并且张开地设置成，使得在所述摆杆的第一耦联点之间的间隔大于在所述摆杆的第二耦联点之间的间隔，使得在所述摆质量(12)运动时，通过所述摆杆(14)在虚拟椭圆体的表面上引导所述摆质量的重心。
2.根据权利要求1所述的质量摆，其特征在于，所述摆质量(12)的重心(S)处于所述第二耦联点上方。
3.根据权利要求1或2所述的质量摆，其特征在于，所述摆质量(12)固定在耦联元件(20)、尤其板上，并且经由所述耦联元件(20)实现所述摆杆(14)耦联到所述摆质量(12)上。
4.根据以上权利要求中任一项所述的质量摆，其特征在于，至少一个摆杆(14)与在所述摆质量(12)的水平的环周方向上相邻的第一摆杆(14)一起形成第一张开幅度并且与在所述摆质量(12)的水平的环周方向上相邻的另一第二摆杆(14)一起形成与所述第一张开幅度不同的第二张开幅度。
5.根据以上权利要求中任一项所述的质量摆，其特征在于，所述质量摆设计用于实施围绕竖轴线(z)的扭转振动。
6.一种能够振动的或不能够振动的物体(10)，所述物体设有根据以上权利要求中任一项所述的质量摆。
7.一种能够振动的物体(10)，所述物体设有根据以上权利要求中任一项所述的质量摆以及至少一个衰减元件(22)，所述衰减元件一方面直接或间接耦联到所述摆质量(12)上并且另一方面直接或间接耦联到所述物体(10)上。
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