DE60125359T2

DE60125359T2 - Vertikaler schwingungsisolator mit trägheitsflüssigkeit

Info

Publication number: DE60125359T2
Application number: DE60125359T
Authority: DE
Inventors: Bradley Frank Colleyville STAMPS; Reaugh Michael Colleyville SMITH; Lee James Colleyville BRASWELL; Kent Timothy Euless LEDBETTER
Original assignee: Bell Helicopter Textron Inc
Current assignee: Bell Helicopter Textron Inc
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: EP1290355B1; EP1764529A1; WO2001090597A1; US6431530B1; DE60125359D1; EP1764529B1; CA2409988C; EP1290355A1; CA2409988A1; ATE348965T1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Schwingungsisolation, und im Besonderen einen Schwingungsisolator, der flüssige und elastomere Bestandteile aufweist, um effektiv die Übertragung bestimmter Schwingungsfrequenzen in Konstruktionselemente zu unterbinden.
Hintergrund der Erfindung
Seit vielen Jahren sind die Bestrebungen darauf ausgerichtet, eine Vorrichtung zu entwickeln, welche die Übertragung von Schwingung von einem schwingenden Körper auf einen anderen Körper verhindert. Solche Vorrichtungen sind in einer Vielzahl von technischen Gebieten von Nutzen, in welchen es wünschenswert ist, die Schwingung einer oszillierenden oder schwingenden Vorrichtung, wie zum Beispiel eines Motors, von der übrigen Konstruktion zu isolieren. Typische Vorrichtungen zur Isolation und Dämpfung von Schwingungen (Isolatoren) verwenden zahlreiche Kombinationen der mechanischen Systemelemente, um das Frequenzverhalten des gesamten Systems zu regulieren, um in den wichtigen Strukturen im System akzeptable Schwingungsgrade zu erreichen. Ein Bereich, in dem solche Isolatoren häufig Anwendung finden, ist in Flugzeugen, wo Systeme zur Schwingungsisolation dazu verwendet werden, den Flugzeugrumpf oder andere Teile eines Flugzeugs von mechanischen Schwingungen zu isolieren, die mit dem Antriebssystem zusammenhängen und die vom Motor, dem Getriebe, Propellern, Rotoren, oder Kipprotoren des Flugzeugs generiert werden. Schwingungsisolatoren sind zwar von Dämpfungsvorrichtungen unterscheidbar, aber Dämpfungsvorrichtungen werden häufig irrtümlicherweise als Isolatoren bezeichnet. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts soll die folgende einfache Kraftgleichung für Schwingung dienen: mx + cx + kx = F
Ein echter Schwingungsisolator nutzt die Beschleunigung eines Fluidkörpers (mx), um die Verschiebung der Schwingung (kx) aufzuheben. Im Gegensatz dazu hat eine Dämpfungsvorrichtung die Aufgabe, den Strom eines Fluids oder eines anderen Körpers und damit auch die Geschwindigkeit (cx) zu begrenzen, und hebt die Schwingung nicht auf, sondern absorbiert lediglich ihre Energie.
Die Minimierung der Länge, des Gewichts und der Gesamtgröße der Isolationsvorrichtung ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Entwicklung eines Schwingungsisolationssystems für ein Flugzeug. Diese Minimierung ist besonders wichtig bei der Entwicklung und Herstellung von Hubschraubern, die gegen das Eigengewicht des Luftfahrzeugs in der Luft schweben müssen, und die in ihrer Tragkraft in vieler Hinsicht mehr Einschränkungen unterliegen als Starrflügelluftfahrzeuge.
Eine wesentliche Verbesserung auf dem Gebiet der Schwingungsisolation und insbesondere bei der Anwendung auf Flugzeuge und Hubschrauber, wurde im US-Patent Nr. 4,236,607 offenbart, welches den Titel "Vibration Suppression System" hat, am 2. Dezember 1980 an Halwes, et al. erteilt wurde, und auf welches an dieser Stelle verwiesen wird. Dieses Patent offenbart einen Schwingungsisolator, bei welchem ein dichtes niedrigviskoses Fluid als "Abstimm"-Masse verwendet wird, um oszillierende, durch den Isolator übertragene Kräfte auszugleichen und aufzuheben. Dieser Isolator funktioniert nach dem Prinzip, dass die Beschleunigung einer oszillierenden Masse um 180° gegenphasig zu ihrer Verschiebung ist, um die Übertragung unerwünschter Bewegung aufzuheben.
Halwes, et al. erkannten, dass sich die Trägheitseigenschaften eines dichten niedrigviskosen Fluids in Kombination mit einem hydraulischen Vorteil, der das Ergebnis einer Kolbenanordnung ist, die gegenphasige Beschleunigung zunutze machen könnten, um ausgleichende Kräfte zu generieren, um Schwingungen zu dämpfen oder aufzuheben.
Ein weiterer Schwingungsisolator ist in der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 98/54486 offenbart, wobei der Schwingungsisolator ein Gehäuse, einen Kolben, einen Abstimm-Durchgang und Strömungsableiter aufweist.
Obwohl die Vorrichtung nach Halwes eine deutliche Verbesserung auf dem Gebiet der Schwingungsisolationstechnik darstellte, gibt es auf dem Gebiet eine anhaltende Nachfrage nach Verbesserungen, die es ermöglichen, das Gewicht solcher Isolatoren zu reduzieren, ohne dabei auf die Fähigkeit verzichten zu müssen, Schwingungen zu dämpfen oder aufzuheben. Des Weiteren steigt aufgrund der wachsenden Bedeutung der effizienten Nutzung von Energie im Transportwesen auch die Nachfrage nach Schwingungsisolatoren mit einem verringertem Gewicht. Gleichzeitig verlangt der Markt sowohl bei Fahrzeugen als auch bei Ersatzteilen weiterhin nach mehr Leistung zu einem niedrigeren Preis, was einen Bedarf an einem Isolator begründet, dessen Herstellungskosten niedriger sind.
Die Erfindung ist definiert durch einen Schwingungsisolator nach Anspruch 1.
Zusammenfassung der Erfindung
Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Erfindung weist einen verbesserten Schwingungsisolator auf, der entwickelt wurde, um zahlreiche Defizite früherer Vorrichtungen zu beheben. In vielen Ausführungsformen hat der Schwingungsisolator einen kleineren Umfang als frühere Modelle, was eine vielseitigere Verwendung bezüglich der Gestaltungsoptionen ermöglicht. Des Weiteren wiegen viele Ausführungsformen des vorliegenden Schwingungsisolators bedeutend weniger als frühere Modelle. Gleichzeitig können viele Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu einem bedeutend niedrigeren Preis hergestellt werden als frühere Isolatoren.
Eine Ausführungsform eines Schwingungsisolators der vorliegenden Erfindung weist einen inneren Zylinder auf, und einen oder mehrere äußere Zylinder, die konzentrisch mit Elastomeren verbunden sind und so zwei Kammern bilden, welche durch eine Abstimm-Öffnung miteinander verbunden sind. Das Elastomer dient gleichzeitig als Dichtung für die Kammer und für das nachgiebige Federteil im Isolator. Die Kammern und die Abstimm-Öffnung sind mit einem nichtviskosen Fluid gefüllt und werden unter Druck gesetzt, um eine Kavitation zu vermeiden.
Eine Ausführungsform eines Isolators gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein mittiges elastomeres sphärisches Lager und zwei elastomere rohrförmige Lager auf, eines auf jeder Seite. Die Abmessungen der rohrförmigen Lager können je nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung variieren, die Ausführung jedoch muss ausreichen, um ein durch Schwingungsdruck in der Vorrichtung verursachtes Ausbauchen des Elastomers zu minimieren.
Wenn der innere Zylinder sich innerhalb des Isolators bewegt, vergrößert sich das Volumen einer Kammer, und gleichzeitig verringert sich das Volumen der anderen Kammer. Diese Veränderung des Volumens erzeugt eine Druckdifferenz zwischen den Kammern und ein entsprechendes Strömen des nichtviskosen Fluids von einer Kammer in die andere. Bei Ausführungsformen mit einer Abstimmöffnung durch die Mitte des inneren Zylinders wird die Fluidbewegung in der entgegengesetzten Richtung zu der Bewegung des inneren Zylinders verlaufen. Diese Fluidbewegung verursacht eine zu generierende Trägheitskraft. Innerhalb einer ausgewählten Frequenzspanne hebt diese Trägheitskraft die elastomere Federkraft im Isolator im Wesentlichen oder vollständig auf.
Um den internen Fluiddruck zu stabilisieren, wird flüssige und elastomere thermische Ausdehnung in der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung eines integralen Volumenkompensators angepasst. Der Volumenkompensator verringert die Ansammlung von übermäßigem Druck und die Kavitationsgefahr, die andernfalls aufgrund der durch die Betätigung des Isolators über eine weite Temperaturspanne hervorgerufenen Druckveränderungen bestehen würde. In einigen Ausführungsformen hat dieser Kompensator die Form einer Luftfeder, die mit einem Gas, zum Beispiel mit Stickstoff gefüllt ist. In einer Ausführungsform benötigt die Luftfeder keine Barriere zwischen dem Gas und dem Fluid.
Des Weiteren übermittelt diese Ausführungsform des Isolators über eine Öffnung mit kleinem Durchmesser Fluiddruck an den Volumenkompensator. Die Größe dieser Öffnung ist derart, dass die durch Schwingung des inneren Zylinders hervorgerufenen Druckimpulse in keinem maßgeblichen Grad in den Volumenkompensator strömen. Bei dieser Ausgestaltung fungiert die Öffnung als Fluiddruckfilter und überträgt statische Druckveränderungen an den Volumenkompensator, während sie gleichzeitig Druckschwingungen blockiert.
Bei einer Ausführungsform wird die Dämpfung innerhalb des Systems durch die Verwendung eines Elastomers mit geringen Dämpfungseigenschaften, durch die Verwendung eines nichtviskosen Fluids innerhalb der Vorrichtung, und durch die Auswahl einer hydraulischen Flächenverhältniskennzahl mit einem relativ niedrigen Wert minimiert.
Das verwendete Fluid kann von einer Ausführungsform zur anderen variieren, es ist jedoch wünschenswert, dass das Fluid eine niedrige Viskosität aufweist und korrosionsbeständig ist. Gleichermaßen kann auch das für die Isolatorlager verwendete Elastomer variieren, es ist jedoch wünschenswert, dass das Elastomer eine lange Ermüdungsdauer und geringe Dämpfungseigenschaften aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird an dieser Stelle auf die ausführliche Beschreibung der Erfindung zusammen mit den begleitenden Figuren hingewiesen, in welchen sich einschlägige Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf entsprechende Teile in der Beschreibung beziehen, und in welchen:
1 eine Querschnittsansicht eines Schwingungsisolators ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Schwingungsisolators gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Querschnittsansicht eines Schwingungsisolators ist;
4 eine isometrische Ansicht einer Flugzeugstruktur unter Einbeziehung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine schematische Darstellung eines Feder-Masse-Systems ist, welches repräsentativ für die Funktion der vorliegenden Erfindung ist; und
6 eine Darstellung einer Frequenzkurve für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Während die Herstellung und Nutzung zahlreicher Ausführungsformen im Folgenden ausführlich dargestellt werden, sollte anerkannt werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in eine große Vielfalt spezifischer Zusammenhänge eingebunden werden können. Die hier behandelten besonderen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung besonderer Weisen, die Erfindung auszuführen und zu nutzen, und grenzen den Schutzbereich der Erfindung nicht ein.
In 1 ist ein Schwingungsisolator dargestellt, welcher allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet wird. Der Schwingungsisolator 10 weist ein oberes Gehäuse 12 und ein unteres äußeres Gehäuse 14 auf. In dieser Anordnung sind das obere Gehäuse 12 und das untere Gehäuse 14 nicht direkt mechanisch miteinander verbunden, jedoch indirekt über die anderen Bauteile der Vorrichtung.
Zusätzlich zu dem oberen und unteren Gehäuse 12 und 14 weist der Isolator 10 des Weiteren einen inneren Zylinder 16 auf, der innerhalb des durch die konkaven Teile der Gehäuse 12 und 14 definierten Volumens angeordnet ist. Im Betrieb überträgt der innere Zylinder 16 innerhalb dieses Volumens als Reaktion auf die durch einen schwingenden Körper verursachte Bewegung.
Das obere Gehäuse 12 ist durch ein elastomeres rohrförmiges Lager 18 konzentrisch mit dem inneren Zylinder 16 verbunden. Das untere Gehäuse 14 ist durch ein elastomeres rohrförmiges Lager 20 konzentrisch mit dem inneren Zylinder 16 verbunden. Die elastomeren rohrförmigen Lager 18 und 20 dienen als nachgiebige Federelemente für den Isolator 10. Die Länge der rohrförmigen Lager kann je nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung variieren, die Länge muss jedoch ausreichen, um ein durch Schwingungsdruck in der Vorrichtung verursachtes Ausbauchen des Elastomers zu minimieren.
Die konkave Innenfläche des oberen Gehäuses 12 und die Oberseiten des inneren Zylinders 16 und des rohrförmigen Lagers 18 definieren gemeinsam eine obere Fluid-Kammer 22. Die obere Fluid-Kammer 22 ist mit den unteren Teilen des Isolators 10 über eine Abstimm-Öffnung 24 verbunden, welche durch den inneren Zylinder 16 hindurchgeht. Die konkave Innenfläche des unteren Gehäuses 14 und die Unterseiten des inneren Zylinders 16 und des rohrförmigen Lagers 20 definieren gemeinsam eine untere Fluid-Kammer 26, die in Strömungsverbindung mit dem unteren Ende der Abstimm-Öffnung 24 steht. Zusätzlich dazu, dass die elastomeren rohrförmigen Lager 18 und 20 als nachgiebige Federelemente für den Isolator 10 dienen, dienen sie auch als Fluidsiegel für die Fluid-Kammern 22 und 26.
Die Fluid-Kammern 22 und 26 und die Abstimm-Öffnung 24 sind mit einem nichtviskosen Fluid 34 gefüllt und werden unter Druck gesetzt, um Kavitation zu vermeiden. Zusätzlich zu den zwei elastomeren rohrförmigen Lagern 18 und 20 weist der Isolator 10 ein zentrales elastomeres sphärisches Lager 28 auf.
Im Betrieb sind das obere und das untere Gehäuse 12 und 14 an den Körper montiert, um von der Schwingung isoliert zu sein. Das sphärische Lager 28 ist mit dem schwingenden Körper verbunden. Wenn sich der innere Zylinder 16 innerhalb des Isolators 10 bewegt, vergrößert sich das Volumen einer der Kammern 22 und 26, während sich das Volumen der anderen Kammer verkleinert. Diese Veränderung des Volumens erzeugt einen Druckunterschied zwischen den Kammern 22 und 26 und ein entsprechendes Strömen des nichtviskosen Fluids 34 von einer Kammer in die andere, in der entgegengesetzten Richtung der Bewegung des inneren Zylinders 16. Diese Bewegung des Fluids 34 verursacht eine zu generierende Trägheitskraft. Innerhalb einer ausgewählten Frequenzspanne hebt diese Trägheitskraft die elastomere Federkraft im Isolator 10 im Wesentlichen oder vollständig auf.
Um den internen Fluiddruck zu stabilisieren, wird flüssige und elastomere thermische Ausdehnung in der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung eines integralen Volumenkompensators 30 angepasst. Der Volumenkompensator 30 verringert die Ansammlung von übermäßigem Druck und die Gefahr von Kavitation, die andernfalls aufgrund der durch den Betrieb des Isolators über eine breite Temperaturspanne verursachten Veränderungen des Volumens bestehen würde. Bei dem in 1 dargestellten Isolator hat der Kompensator 30 die Form einer Luftfeder 32, die mit einem Gas, wie zum Beispiel Stickstoff gefüllt ist. Bei dieser Ausgestaltung benötigt der Kompensator keine Barriere zwischen dem Gas 32 und dem Fluid 34. Empirische Daten haben gezeigt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Temperaturspanne von –45°F bis +150°F eine ungefähr +/– 35%-ige Veränderung des internen Fluiddrucks aufweist. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass der Druck innerhalb des Volumenkompensators 30 auf mindestens 35% über dem Dampfdruck des Abstimm-Fluids eingestellt wird, um eine Kavitation zu vermeiden. Der interne Druck wird am oberen Ende durch die mechanischen Beanspruchungsgrenzen der Isolator-Materialien begrenzt. Der in 1 gezeigte Isolator weist ein Schauglas 38 auf, um die Fluidhöhe im Kompensator visuell bestimmen zu können, sowie ein Gasventil 39, um das Gas direkt unter Druck zu setzen. In bestimmten Anordnungen sind die Innenflächen des Isolators so geformt, dass sie das Aufsteigen von Blasen zum Kompensator ermöglichen wenn der Isolator in seiner normalen Ausrichtung angeordnet ist.
Der Isolator 10 überträgt über eine Öffnung 36 mit einem kleinen Durchmesser Druck an den Volumenkompensator 30. Die Größe der Öffnung 36 ist derart, dass die durch die Schwingung des inneren Zylinders 16 verursachten Druckimpulse in keinem maßgeblichen Grad in den Volumenkompensator 30 gelangen. Bei diesem Aufbau agiert die Öffnung 36 als Fluid-Druck-Filter, der statische Druckveränderungen in den Volumenkompensator 30 überträgt, und gleichzeitig Druckschwankungen blockiert. Der ideale Durchmesser der Öffnung 36 variiert je nach der Viskosität des Fluids. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Öffnung auf, die einen Durchmesser von ungefähr 0,050'' aufweist.
Die Dämpfung innerhalb des Isolators 10 wird durch die Verwendung von Elastomer-Lagern 18 und 20 mit niedrigen Dämpfungseigenschaften und durch die Verwendung eines nichtviskosen Fluids 34 innerhalb der Vorrichtung minimiert. Die Dämpfung wird zusätzlich durch die Verwendung einer einen relativ großen Wertaufweisenden Abstimm-Öffnung 24 minimiert. Eine Abstimmöffnung 24 mit einem großen Durchmesser verringert die Dämpfung im Isolator 10 durch eine Minimierung der Geschwindigkeit des Fluids 34 innerhalb der Abstimm-Öffnung 24.
Das verwendete Fluid 34 kann von einer Ausführungsform zur anderen variieren; es ist jedoch wünschenswert, dass das Fluid 34 eine niedrige Viskosität aufweist und korrosionsbeständig ist. Das Fluid 34 des Isolators 10 kann zum Beispiel das von der LORD CORPORATION^® hergestellte SPF I sein. Andere Ausführungsformen können Quecksilber oder hydraulisches Fluid aufweisen mit darin aufgelösten dichten Schwebstoffen. Des Weiteren kann die Fluidmasse in einigen Ausführungsformen durch die Verwendung eines soliden Vollkörpers ergänzt werden, welcher in der Abstimm-Öffnung 24 angeordnet ist.
Gleichermaßen kann das für die rohrförmigen Lager 18 und 20 des Isolators verwendete Elastomer variieren; es ist jedoch wünschenswert, dass das Elastomer eine lange Ermüdungsdauer und geringe Dämpfungseigenschaften aufweist. Das Elastomer kann zum Beispiel ein von der LORD CORPORATION hergestelltes LORD SPE X^® Elastomer sein.
2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Gas-zu-Fluid-Speicher 44 mittels eines ersten Rückschlagventils 40 und eines zweiten Rückschlagsventils 42 mit dem Isolator verbunden ist. In dieser Ausführungsform ermöglicht das erste Rückschlagventil 40, dass Blasen vom Fluid-Reservoir zum Speicher 44 strömen, und das zweite Rückschlagsventil 42 ermöglicht, dass das Fluid vom Speicher 44 zum Fluid-Reservoir strömt. Mit dieser Ausgestaltung werden jegliche Blasen, die im Fluid-Reservoir gebildet werden, zum oberen Ende des Fluid-Reservoirs aufsteigen, und durch das Rückschlagventil 40 in den Speicher 44 strömen, wo sie gesammelt werden und dem Gas-Volumen im Speicher 44 hinzugefügt werden. Jegliches Volumen, das in der Form von Blasen auf dem Weg vom Fluid-Reservoir zum Speicher 44 durch das Ventil 40 verloren geht, wird durch das Rückschlagventil 42 in Form von Fluid zu dem Fluid-Reservoir zurückgeführt.
3 zeigt einen Isolator, wobei die zweite Kammer 26 aus 1 durch eine externe Fluid-Kammer 48 ersetzt wurde. In dieser Anordnung gibt es kein Strömen von Fluid durch den inneren Zylinder 46. Diese Anordnung weist einen externen Fluid-Durchlass 50 auf, um Fluid zu der externen Fluid-Kammer 48 zu übertragen. Das Volumen der Kammer 48 variiert je nach Druck aufgrund der Einwirkung des Kolbens 52 und der kompensierenden Feder 54. Das Funktionsprinzip dieser Vorrichtung ist ähnlich dem Funktionsprinzip der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen.
Eine Ausführungsform eines Schwingungsisolators der vorliegenden Erfindung wie in den Grundbau eines Hubschrauberrumpfes eingebaut, ist in 4 dargestellt. Der Grundbau 60 des Hubschrauberrumpfes weist Schwingungsisolatoren 62 und 64 auf, die an einen Grundbau-Rahmen 66 montiert sind, um in Kombination mit Rotorneigungsbegrenzungen 68 und 70 zu arbeiten. Eine schwingende Vorrichtung, in diesem Fall ein Getriebe und eine Hauptrotor-Pylon-Anordnung (nicht dargestellt) ist zwischen die Isolatoren 62 und 64 an Montagejochs 72 und 74 montiert. Wie oben beschrieben, ist jeder Isolator 62 und 64 in der vertikalen Achse starr und aufgrund des sphärischen Lagers um die zwei orthogonalen horizontalen Achsen nachgiebig. Für eine Pylonen-Anordnung, die zwischen den Isolatoren 62 und 64 montiert ist, wird der Grundbau Bewegung in den vertikalen vorderen und hinteren Achsen begrenzen, wird jedoch der Anordnung erlauben, sich um die Achse vom sphärischen Lager im Isolator 62 zu dem sphärischen Lager im Isolator 64 zu neigen. Bewegung und Schwingung um die Achse sind durch Neigungsbegrenzungen 68 und 70 beschränkt.
Durch die Einfügung der oben beschriebenen neuen Merkmale und Verbesserungen wurde die Übertragung von Pylonen-Schwingung zum Rumpf bei den gewünschten Frequenzen um 94% verringert, während gleichzeitig bedeutende Verbesserungen gegenüber früheren Isolations-Vorrichtungen sowohl im Hinblick auf die Kosten, als auch im Hinblick auf das Gewicht erzielt wurden. Es wurde gezeigt, dass ein gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierter Schwingungsisolator für ungefähr die Hälfte der Kosten früherer Vorrichtungen mit einem ähnlichen Leistungsgrad hergestellt werden kann. Des Weiteren wiegen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weniger als die Hälfte dessen was frühere Vorrichtungen mit dem gleichen Leistungsgrad wogen. Diese Verbesserungen sind größtenteils dem Hinzufügen des sphärischen Lagers zu der Anordnung zu verdanken. Frühere Vorrichtungen machten die Verwendung von flexiblen Gelenkköpfen erforderlich, um den Freiheitsgrad zu ermöglichen, der für eine einwandfreie Funktion erforderlich ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Isolator-Systems 80 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 80 weist eine Rumpfmasse 82, eine Pylonenmasse 84 und eine Abstimmmasse 86 auf, die durch einen Hebelarm 88 und eine Feder 92 verbunden sind. Die Pylonenmasse 84 bewegt sich als Reaktion auf eine auferlegte Schwingung und muss mit der Rumpfmasse 82 verbunden sein, wobei es jedoch wünschenswert ist, die Rumpfmasse 82 von der Schwingung der Pylonenmasse 84 zu isolieren.
Die Abstimmmasse 86 und die Feder 92 wurden dem System hinzugefügt, um für Isolation zu sorgen. Die Verlagerung der Feder 92 ist direkt abhängig von der der Verlagerungsdifferenz zwischen der Rumpfmasse 82 und der Pylonenmasse 84. Die Verlagerung der Abstimmmasse 86 ist abhängig von der Verlagerung der Rumpfmasse 82, der Verlagerung der Pylonenmasse 84, der Länge des Hebelarms 88, und der Position des Drehachse 90. In 3 ist zu erkennen, dass eine kleine Verlagerung der Pylonenmasse 84 zu einer relativ großen Verlagerung der Abstimmmasse 86 führen wird.
Bei dem Isolator 10 der 1 hat die Abstimmmasse 86 die Gestalt des nichtviskosen Fluids 34, das den Isolator 10 füllt, und das durch Betätigung des inneren Zylinders 16 bewegt wird. Die durch den Hebelarm 88 dargestellte Funktion ist in den Isolator 10 in Form der Differenz zwischen dem Bereich der Enden des Zylinders 16 und dem Bereich der Abstimmöffnung 24 integriert. In 1 ist zu erkennen, dass aufgrund der im Vergleich zu der Abstimmöffnung 24 relativ großen Querschnittsfläche des inneren Zylinders 16 eine kleine Verlagerung des inneren Zylinders 16 zu der Bewegung eines relativ großen Volumens von Abstimm-Fluid führen wird. Die Funktion der Feder 92 nimmt die Form von elastomeren rohrförmigen Lagern 18 und 20 im Isolator 10 an. Die Bewegungsgleichungen für einen in einem Flugzeugrumpf installierten und mit einer schwingenden Pylonen-Anordnung verbundenen Schwingungsisolator gemäß der vorliegenden Erfindung können wie folgt beschrieben werden:
wobei

m_p: = die Pylonenmasse
m_f: = die Rumpfmasse
m_t: = die Isolator-Abstimmmasse
k_r: = die Federkonstante des Elastomers im Isolator
F_p: = die auf das Pylon wirkende Erregerkraft

Die Isolator-Abstimmmasse m_t ist wie folgt definiert: mt = ALρ (2)wobei

A: = die Querschnittsfläche der Abstimm-Öffnung
L: = die Länge der Abstimm-Öffnung
ρ: = die Dichte des Isolator-Abstimm-Fluids

Da der innere Zylinder 16 durch das sphärische Lager 28 an den Pylon montiert ist und die Gehäuse 12 und 14 des Isolators 10 an den Flugzeugrumpf montiert sind, ist die Fluid-Bewegung in der Abstimm-Öffnung 24 abhängig von der Bewegung sowohl des Pylons als auch des Rumpfes.
Die Bewegung der flüssigen Abstimmmasse u_f hängt gemäß der folgenden kinematischen Randbedingungsgleichung mit der Bewegung des Pylons u_p und des Rumpfes u_f zusammen: ut = (R)uf – (R – 1)up (3)
Diese Randbedingungs-Gleichung kann dazu verwendet werden, das Drei-Freiheitsgrad-System (3-DOF) durch die Bildung einer Transformationsmatrix G zu einem Zwei-Freiheitsgrad-System (2-DOF) zu reduzieren: [u]3DOF = [G][u]2DOF (4)
In erweiterter Form:
Links- und Rechts-Multiplikation der oben in Gleichung (1) gezeigten Massen-, Festigkeits- und Kraftmatrizen ergibt die folgende Bewegungsgleichung für die reduzierte Menge:
Wenn man dann nach den Eigenwerten in der oberen Gleichung auflöst, erhält man die Eigenfrequenz f_n des Pylons in der vertikalen Achse:
Der Trägheitseffekt der flüssigen Abstimmmasse m_t wird mit dem Quadrat des Flächenverhältnisses R multipliziert. Im Nenner der Gleichung (7) kann die Summe der letzten zwei Produkte, (R)2mtmp + (R – 1)2mtmf (8) ungefähr 1/3 des ersten Produktes m_pm_f betragen. Die Präsenz der Masse des Fluids reduziert die Eigenfrequenz des Pylons entlang der vertikalen Achse. Das Fluid kann diese Eigenfrequenz zum Beispiel von ungefähr 19,9 Hz auf ungefähr 15,5 Hz reduzieren.
Die Isolationsfrequenz f_i wird dadurch ermittelt, dass die Rumpfbewegung gleich Null gesetzt wird (_f = u_t = 0), und dass die untere homogene Gleichung in der reduzierten Menge von Bewegungsgleichungen gelöst wird. Diese Lösung wird ausgedrückt als:
Aus dieser Gleichung lässt sich erkennen, dass die Isolationsfrequenz sowohl von der Trägheit des Rumpfes als auch von der Trägheit des Pylons unabhängig ist.
Die Steifigkeit des Systems K* kann ausgedrückt werden als eine Funktion der Frequenz f durch Nullung der Rumpfseite (u_r = 0) und durch Auflösung nach dem dynamischen Verhalten:
wobei

f_ng: = die genullte Isolator-Eigenfrequenz
ζ: = die Systemdämpfung

In diesem Ausdruck kann die genullte Isolator-Eigenfrequenz f_ng durch das Streichen des Freiheitsgrades des Rumpfes in der vereinfachten Bewegungsgleichung (6) und durch das Vereinfachen der Bewegungsgleichung zu einem einzigen Freiheitsgrad gelöst werden. Die System-Dämpfung, in der Gleichung oben dargestellt durch ζ, kann minimiert werden wenn die Isolator-Steifigkeit von ungefähr 13 500 lb./Zoll bei 0 Hz zu ungefähr 1 800 lb./Zoll bei 26,3 Hz schwankt. Ein die Isolator-Steifigkeit über einen Frequenzbereich darstellender Graph ist in 6 dargestellt.
Durch das Einfügen der oben beschriebenen neuen Merkmale und Verbesserungen wurde die Übertragung von Pylonen-Schwingungen auf den Flugzeugrumpf bei den gewünschten Frequenzen um 94% reduziert, wobei gleichzeitig bedeutende Verbesserungen gegenüber früheren Isolationsvorrichtungen sowohl in Bezug auf die Kosten, als auch in Bezug auf das Gewicht erzielt wurden. Es wurde gezeigt, dass ein gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierter Isolator für ungefähr die Hälfte der Kosten früherer Vorrichtungen mit einem ähnlichen Leistungsgrad hergestellt werden kann. Des Weiteren wiegt die gleiche Ausführungsform weniger als die Hälfte dessen, was frühere Vorrichtungen wogen, und benötigt gleichzeitig weniger Raum.
Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Zahlreiche Änderungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann in Bezug auf die Beschreibung ersichtlich. Aus diesem Grund sollen die angehängten Ansprüche jegliche derartigen Änderungen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Schwingungsisolator (10) zum Verbinden zweier Körper, wobei einer der Körper von der Schwingung im anderen Körper isoliert ist, aufweisend: zumindest einen äußeren Zylinder (12, 14), welcher mit dem einen Körper (60) verbunden ist und ein lang gestrecktes inneres Volumen hat, einen inneren Zylinder (16), welcher beweglich innerhalb des inneren Volumens angeordnet ist, wobei der innere Zylinder und das innere Volumen an den beiden Enden des inneren Zylinders eine erste und eine zweite Kammer (22, 26) definieren, eine Abstimm-Öffnung (24), welche die erste und die zweite Kammer verbindet, wobei die Abstimm-Öffnung und die erste und die zweite Kammer ein Reservoir definieren, eine Feder (18, 20), welche den inneren Zylinder mit dem äußeren Zylinder verbindet, eine Abstimm-Masse, welche die erste und die zweite Kammer (22, 26) und die Abstimm-Öffnung im Wesentlichen füllt, und ein Lager (28), welches an den inneren Zylinder (16) montiert ist und angeordnet ist, um mit dem anderen Körper verbunden zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass: die Abstimm-Masse ein Abstimm-Fluid aufweist und der Schwingungsisolator ferner einen Gas-zu-Fluid-Speicher aufweist, welcher mittels eines ersten und eines zweiten Rückschlagventils (40, 42) mit dem Fluid-Reservoir verbunden ist, wobei das erste Rückschlagventil (40) dem Fluid ermöglicht, von dem Fluid-Reservoir zu dem Speicher zu strömen, und wobei das zweite Rückschlagventil (44) dem Fluid ermöglicht, von dem Speicher zu dem Fluid-Reservoir zu strömen.
Isolator nach Anspruch 1, wobei die inneren Oberflächen des Isolators (10) geformt sind, um zu ermöglichen, dass Blasen aufsteigen, wenn der Isolator in seiner normalen Ausrichtung angeordnet ist.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gas-zu-Fluid-Speicher durch eine Kleindurchmesser-Öffnung (36) mit dem Fluid-Reservoir verbunden ist.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gas-zu-Fluid-Speicher konstruiert ist, um eine direkte Verbindung zwischen dem Gas und dem Fluid zu schaffen.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gas-zu-Fluid-Speicher an dem oberen Ende des Isolators angeordnet ist.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feder ein erstes Achslager (18), welches ein Ende des inneren Zylinders mit dem zumindest einen äußeren Zylinder verbindet, und ein zweites Achslager (20) aufweist, welches das verbleibende Ende des inneren Zylinders mit dem zumindest einen äußeren Zylinder verbindet.
Isolator nach Anspruch 6, wobei die Achslager aus einem Elastomer geformt sind, welches eine lange Ermüdungsdauer und niedrige Dämpfungseigenschaften aufweist.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feder aus einem deformierbaren Diaphragma geformt ist.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstimm-Masse ein Fluid ist, welches durch eine niedrige Viskosität charakterisiert ist.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Bewegungsbegrenzer an jedem Ende der inneren Oberfläche von dem zumindest einen äußeren Zylinder, welche angeordnet sind, um den Bewegungsbereich des inneren Zylinders zu begrenzen.
Isolator nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Neigungsbegrenzer innerhalb des Lagers, welcher angeordnet ist, um den Neigungsbereich des Lagers zu begrenzen.