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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hubschrauberrotoranordnung
mit einer Dämpfungsvorrichtung
zur Ableitung von Energie.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
Dämpfer
bzw. eine Dämpfungseinrichtung
ist eine Vorrichtung zum Aufnehmen bzw. Ableiten von Energie in
einem mechanischen System mit relativ zueinander bewegbaren Teilen.
Eine Dämpfungseinrichtung
liefert Kräfte,
die einer relativen Bewegung der beweglichen Teile entgegenwirken.
Allgemein anzutreffende Beispiele von Dämpfungsvorrichtungen umfassen
die Stoßdämpfer in
einem Kraftfahrzeug und der Schwenkbewegungs- bzw. Voreilungs-Verzögerungs-Dämpfer (lead-lag
damper) im Rotorsystem eines Hubschraubers.
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Im
Stand der Technik ist eine Vielzahl von Dämpfungsvorrichtungen bekannt,
einschließlich
Reibungsdämpfer
und elastomere Dämpfer,
die Energie durch das Schleifen an oder durch Verformung von festen
Materialien aufnehmen bzw. ableiten, und pneumatische und hydraulische
Dämpfer,
die Energie durch das Pumpen von Fluiden durch eine Öffnung aufnehmen
bzw. ableiten. Eine neuere Variation des hydraulischen Dämpfers verwendet
magnetorheologische (MR) Fluide, die Magnetteilchen enthalten, die
in einem Trägerfluid,
beispielsweise in einem Öl
oder in einem Gel, schweben. Diese MR-Fluide verändern ihre scheinbare Viskosität in Anwesenheit
eines Magnetfelds. Beispiele von MR-Fluid-Dämpfern sind in den folgenden
US-Patenten mit den Nummern 5,277,281 ;
5,284,330 ;
5,382,373 ;
5,398,917 und
5,492,312 offenbart. MR-Fluid-Dämpfer besitzen
die Fähigkeit,
die scheinbare Viskosität
des Arbeitsfluids und somit die Dämpfungseigenschaften der Vorrichtung
durch Verändern
der Stärke
des magnetischen Feldes, zum Beispiel durch Veränderung des Stromflusses durch
die Windungen eines Elektromagneten, zu verändern.
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Auch
wenn MR-Fluid-Dämpfer
die elektrische Einstellung von Dämpfungseigenschaften erlauben, weisen
sie auch die folgenden Nachteile auf: Erstens kann die Fluidkomponente
eines MR-Dämpfers
aus der Vorrichtung heraus sickern, wenn die Unversehrtheit des
abgedichteten Hohlraums nicht aufrechterhalten wird, wodurch die
Leistung des Dämpfers
verringert und möglicherweise
andere Systemkomponenten mit dem abrasiven Fluid verunreinigt werden.
Zweitens setzt sich die Magnetteilchenkomponente eines MR-Fluids
mit der Zeit oder wenn sie hohen g- bzw. Beschleunigungskräften ausgesetzt
wird, d. h. solchen über
etwa 10 g, aus der Fluidkomponente ab. Drittens verändert die
Fluidkomponente des MR-Fluids allgemein ihre Viskosität als eine
Funktion der Temperatur, und sie kann bei extremen Temperaturen,
wie sie beispielsweise bei Flugzeug-Anwendungen anzutreffen sind,
bei denen die Komponenten Temperaturen von 55°C bei Hochtemperaturbetrieb
bis herab zu –45°C bei Lagerung
unter arktischen Bedingungen ausgesetzt sind, sogar gefrieren oder
verdampfen. Viertens sind MR-Fluide infolge der in dem Trägerfluid
enthaltenen kleinen Teilchen in hohem Maß abrasiv. Dies abrasive Eigenschaft
führt dazu,
dass Öffnungen
erodieren, durch welche MR-Fluide während des Dämpferbetriebs gepumpt werden,
und auch dynamische Abdichtungen oder andere Gleitflächen werden
erodiert.
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Es
sind auch Vorrichtungen bekannt, welche die Adhäsion bzw. Haftung von trockenen
Magnetteilchen nutzen, um Kräfte
zwischen rotierenden Teilen zu übertragen.
Für die
Zwecke der vorliegenden Anwendung werden Teilchen als "trocken" angesehen, wenn
sie nicht in einem flüssigen
Medium oder in einem Gelmedium schweben oder darin eingetaucht sind.
Beispiele solcher Vorrichtungen sind die gut bekannte Magnetteilchenkupplung
und die Magnetteilchenbremse. Eine Magnetteilchenkupplung besteht
normalerweise aus einer ersten sich drehenden Welle (Eingangswelle),
die mit einer magnetischen Scheibe verbunden ist, und aus einer zweiten
sich drehenden Welle (Ausgangswelle), die mit einer anderen magnetischen
Scheibe verbunden ist. Diese Scheiben weisen einen kleinen Spalt
zwischen sich auf, und der Spalt ist mit einem fein verteilten magnetischen
Pulver gefüllt.
Beide Scheiben und der Spalt sind in einem magnetischen Gehäuse angeordnet,
in dem sich auch eine elektromagnetische Spule befindet. Wenn elektrischer
Strom durch die Spule fließt,
erzeugt er in dem Spalt und in den beiden magnetischen Scheiben
ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld bewirkt, dass die magnetischen
Teilchen aneinander und an den angrenzenden Scheiben haften und
Ketten bilden, welche den Spalt zwischen den beiden Scheiben überbrücken, so
dass zwischen den beiden sich drehenden Wellen Drehmoment übertragen
wird. Die Magnetteilchenbremsen sind mit Ausnahme dessen ähnlich,
dass die Ausgangswelle an einem sich nicht drehenden "Untergrund" angebracht oder
durch einen Teil des Gehäuses
ersetzt ist, der an dem "Untergrund" angebracht ist.
Es sind Magnetteilchenkupplungen und -bremsen bekannt, in welchen
das Magnetfeld entweder durch einen Permanentmagneten oder durch
einen Elektromagneten erzeugt wird. Wenn ein Permanentmagnet verwendet
wird, überträgt die Kupplung
Drehmoment zwischen den sich drehenden Eingangs- und Ausgangswellen,
bis ein maximales "Schlupf"-Drehmoment erreicht ist, zu welchem
Zeitpunkt die Eingangswelle beginnt, hinsichtlich der Ausgangswelle
Schlupf aufzuweisen. Die Kupplung überträgt jedoch weiter ein Drehmoment
in Höhe
des Schlupfdrehmoments zwischen den Wellen. Wenn das Magnetfeld
einer Magnetteilchenkupplung durch einen Elektromagneten erzeugt
wird, ist es möglich,
eine intermittierend wirkende Kupplung bereitzustellen, indem der
elektrische Strom durch die Spulen des Elektromagneten eingeschaltet
oder ausgeschaltet wird, oder es ist alternativ möglich eine
Magnetkupplung bereitzustellen, in welcher der Schlupfwert der Drehmomentenübertragung
durch Verändern
des durch die Spulen flie ßenden
elektrischen Stroms verändert
werden kann. Unabhängig
davon, ob Permanentmagnete, Elektromagnete oder eine Kombination
von beiden verwendet werden, sind Magnetteilchenkupplungen jedoch immer
verwendet worden, um Drehmomente zwischen sich drehenden Wellen
zu übertragen
oder um das maximale Drehmoment, das durch ein System übertragen
wird, zu begrenzen, indem eine Drehung zwischen den Wellen erlaubt
wird.
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US-A-4,732,540 offenbart
eine Hubschrauberrotoranordnung mit einem rotierenden Gabelelement und
einem Blattelement, das mit dem Gabelelement verbunden ist. Ein
Schleppdämpfungselement
ist zwischen dem Nabenkörper
der Gabel und der Blattwurzel des Blattelements montiert. Das Schleppdämpfungselement
ist aus koaxialen rohrförmigen
Elementen ausgebildet, zwischen denen eine zylindrische Hülse vorgesehen
ist, die aus einem viskoelastischen Material ausgebildet ist, oder
könnte
ein hydraulisches Element sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Hubschrauberrotoranordnung, wie
sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Hubschrauberrotoranordnung
bereitgestellt. Die Rotoranordnung weist ein rotierendes Joch- bzw.
Gabelelement (yoke member), ein Blattelement und eine Magnetteilchen-Dämpfungseinrichtung
bzw. einen Magnetteilchen-Dämpfer
auf. Das Blattelement ist mit dem Gabelelement verbunden, und jedes
Element hat einen Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt,
wobei die beiden Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitte
voneinander beabstandet sind. Das Blattelement ist in Bezug auf
das Gabelelement bewegbar, um einen Bereich von Entfernungen zwischen
den Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitten
zu definieren. Der Magnetteilchen-Dämpfer weist ein erstes Leiterelement, das an
dem Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt
des Gabelelements angebracht ist, und ein zweites Leiterelement
auf, das an dem Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt
des Blattelements angebracht ist. Oszillationen bzw. Schwingungen
in der Schwenkrichtung bzw. Voreilungs-Nacheilungs-Richtung (lead-lag
direction) zwischen dem Gabelelement und dem Blattelement der Rotoranordnung
werden dadurch durch den Magnetteilchen-Dämpfer gedämpft.
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Andere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
werden bei der Betrachtung der nachfolgenden Zeichnungen und ausführlichen
Beschreibung ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht in teilweisem Schnitt einer ersten Ausführungsform
einer Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2A ist
eine partielle Endansicht der Dämpfungsvorrichtung
der 1 entlang den Linien 2A-2A der 1,
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2B ist
eine partielle Endansicht, ähnlich
der 2A, einer alternativen Ausführungsform einer Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung,
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3A ist
eine Seitenansicht in teilweisem Schnitt einer weiteren Ausführungsform
einer Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3B ist
eine Schnittansicht der Dämpfungsvorrichtung
der 3A entlang der Linie 3B-3B der 3A,
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4 ist
eine Seitenansicht in teilweisem Schnitt von noch einer weiteren
Ausführungsform
einer Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung,
die mehrere Spalte aufweist,
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5A ist
eine grafische Darstellung, welche die Eigenschaften von Kraft gegen
Verlagerung eines theoretisch "perfekten" Reibungsdämpfers zeigt,
der mit einer sinusförmigen
Schwingungsbewegung konstanter Amplitude bei einer festen Frequenz
angetrieben wird,
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5B ist
eine grafische Darstellung von Kraft gegen Verlagerung, ähnlich zu 5A,
für einen
theoretisch "reinen" viskosen Dämpfer,
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5C ist
eine grafische Darstellung, welche die tatsächlichen Eigenschaften von
Kraft gegen Verlagerung eines Magnetteilchen-Dämpfers gemäß einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung und für
einen elastomeren Dämpfer
gemäß dem Stand
der Technik zeigt, wobei beide mit einer sinusförmigen Schwingungsbewegung
konstanter Amplitude bei einer festen Frequenz angetrieben werden
und wobei die Bewegungsamplitude einer Kraft auf den Magnetteilchen-Dämpfer entspricht,
die unter der Schlupfkraft liegt,
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5D zeigt
ein anderes Paar von tatsächlichen
grafischen Darstellungen von Kraft gegen Verlagerung, ähnlich zu 5C,
wobei die Bewegungsamplitude einer Kraft auf den Magnetteilchen-Dämpfer entspricht,
die sich der Schlupfkraft annähert,
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5E zeigt
noch ein anderes Paar von tatsächlichen
grafischen Darstellungen von Kraft gegen Verlagerung, ähnlich zu 5C,
wobei die Bewegungsamplitude die Bewegung überschreitet, die der Schlupfkraft des
Magnetteilchen-Dämpfers
entspricht,
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6A ist
ein schematisches Diagramm einer Nur-Dämpfer-Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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6B ist
ein schematisches Diagramm, ähnlich
dem von 6A, einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die einen Magnetteilchen-Dämpfer aufweist,
der parallel mit einem Federelement verbunden ist,
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6C ist
ein schematisches Diagramm, ähnlich
dem von 6A, einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die einen Magnetteilchen-Dämpfer aufweist,
der in Reihe mit einem Federelement verbunden ist,
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6D ist
ein schematisches Diagramm, ähnlich
dem von 6A, noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die einen Magnetteilchen-Dämpfer aufweist,
der in Reihe und parallel mit mehreren Federelementen verbunden
ist,
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7A ist
eine grafische Darstellung, die die Dämpfereffizienz gegen Spitze-zu-Spitze-Schwingungsverlagerung
für einen
Magnetteilchen-Dämpfer
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und für
einen elastomeren Dämpfer
gemäß dem Stand
der Technik darstellt,
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7B ist
eine grafische Darstellung, die abgeleitete Energie pro Schwingungszyklus
dividiert durch die Spitze-zu-Spitze-Schwingungsverlagerung
gegen Spitze-zu-Spitze-Schwingungsverlagerung für einen Magnetteilchen-Dämpfer gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und für
einen elastomeren Dämpfer
gemäß dem Stand
der Technik zeigt,
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8A ist
eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Hubschrauberrotoranordnung
gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung,
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8B ist
eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der Hubschrauberrotoranordnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun
allgemein auf die 1, 2A und 2B und
insbesondere auf 1 Bezug nehmend, wird eine Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung 20 zur
Dämpfung
einer Bewegung zwischen einem ersten und einem zweiten relativ zueinander
bewegbaren Elementen 22 bzw. 24 (gestrichelt dargestellt)
bereitgestellt, die sich in die Richtung bewegen, die allgemein
durch den Pfeil 25 gekennzeichnet ist. Die Dämpfungsvorrichtung 20 weist
ein erstes Leiterelement 26 auf, das an einem der bewegbaren
Elemente 22, 24 befestigt werden kann. In der
in 1 gezeigten Ausführungsform weist das erste
Leiterelement 26 ferner eine Verbindungsstange 27 auf,
die an dem ersten bewegbaren Elemente 22 anbringbar ist,
wobei jedoch leicht zu erkennen ist, dass viele andere im Fachgebiet
bekannte Verbindungsstrukturen verwendet werden können, um
das erste Leiterelement 26 an eines der bewegbaren Elemente
anbringbar zu machen. Das erste Leiterelement 26 hat einen
magnetisch permeablen Abschnitt 28, der einen ersten Teil
(allgemein durch die Pfeile 29a gekennzeichnet) eines Magnetflusspfades
bzw. magnetischen Flussweges bildet. Die Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung 20 weist
ferner ein zweites Leiterelement 30 auf, das an einem anderen
des ersten und zweiten bewegbaren Elements 22, 24 befestigt
werden kann und das von dem ersten Leiterelement 26 beabstandet
ist, um dazwischen einen Spalt 32 zu bilden. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
weist das zweite Leiterelement 30 ferner eine Verbindungsstange 31 zur
Befestigung an dem zweiten bewegbaren Element 24 auf, wobei
jedoch leicht zu erkennen ist, dass andere im Fachgebiet bekannte
Verbindungsstrukturen verwendet werden können, um das zweite Leiterelement 30 an
eines der bewegbaren Elemente anbringbar zu machen. Das zweite Leiterelement 30 weist
einen magnetisch permeablen Abschnitt 34 auf, der einen
zweiten Teil (allgemein durch den Pfeil 29b gekennzeichnet)
des Magnetflusspfades bzw. magnetischen Flussweges bildet. Die magnetisch
permeablen Abschnitte 28, 34 des ersten und zweiten
Leiterelements sind normalerweise durch Verwendung von Materialien
gebildet, die eine verhältnismäßig hohe
magnetische Permeabilität
in Bezug auf umgebende Materialien aufweisen. Die magnetisch permeablen
Abschnitte 28, 34 des ersten und zweiten Leiterelements 26, 30 weisen
jeweils Flussendbereiche 36, 38 auf, in denen
der Fluss in die Leiterelemente eintritt oder sie verlässt. Die
Position der Flussendbereiche wird durch die Geometrie der permeablen Abschnitte 28, 30 bestimmt,
wie es im Stand der Technik bekannt ist. Die Flussendbereiche 36, 38 des
ersten und zweiten Leiterelements 26 und 30 sind
einander über
den Spalt 32 zugewandt. Die Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung 20 weist
ferner eine Menge von trockenen Magnetteilchen 40a und 40b auf,
die in dem Spalt 32 zwischen dem ersten und zweiten Leiterelement 26 und 30 angeordnet
sind. Es ist zu bemerken, dass für die
Zwecke der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck "magnetisch" sich auf Materialien bezieht, die entweder magnetisiert
sind oder magnetisiert werden können.
Somit können
die Magnetteilchen 40a und 40b ein Magnetfeld
erzeugen oder nicht erzeugen, wenn sie von externen Magnetfeldern
isoliert sind. Der Anteil der Magnetteilchen (bezeichnet als 40a),
der zwischen den Flus-sendbereichen 36 und 38 des
ersten und zweiten Leiterelements angeordnet ist, bildet einen dritten
Teil (allgemein durch die Pfeile 29c bezeichnet) des Magnetflusspfades
bzw. magnetischen Flussweges. Der restliche Anteil der Magnetteilchen
(als 40b gezeigt) entfernt von den Flussendbereichen 36, 38 bildet
allgemein keinen Teil des Flusspfads, sondern bildet vielmehr ein
Reservoir von Magnetteilchen, das zur Verfügung steht, um den Vorrat von
Teilchen zwischen den Flussendbereichen wieder aufzufüllen. Die
Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung 20 weist
ferner ein magnetisches Element 42 auf, das fest an dem
magnetisch permeablen Abschnitt von einem von dem ersten oder zwei ten
Leiterelement angebracht ist. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
ist das Magnetelement 42 an dem magnetisch permeablen Abschnitt 28 des
ersten Leiterelements 26 angebracht, jedoch sind andere
Ausgestaltungen innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung
leicht zu erkennen. Das Magnetelement 42 erzeugt ein Magnetfeld
(nicht dargestellt), und das Magnetfeld passt sich vorherrschend
dem durch die Pfeile 29a, 29b und 29c gekennzeichneten
Magnetflusspfad an. In einigen Ausführungsformen können die
Leiterelemente 26, 30 ferner relativ nicht permeable
Abschnitte aufweisen, die angeordnet sind, um zu gewährleisten,
dass das Magnetfeld vorherrschend auf den gewünschten Flusspfad begrenzt
ist. In der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist ein nicht permeabler Abschnitt 43 benachbart zu dem
Magnetelement 42 positioniert, um ein "Kurzschließen" des Flusspfads durch das Leiterelement 26 zu
verhindern. Die Magnetteilchen entlang dem Flusspfad (als 40a gezeigt)
werden durch das Magnetfeld des magnetischen Elements 42 beeinflusst,
so dass sie magnetisch an benachbarten Magnetteilchen und an dem
ersten und zweiten Leiterelement 26, 30 anhaften,
wodurch eine Kraft erzeugt wird, die der Relativbewegung zwischen
den bewegbaren Elementen 22, 24 entgegenwirkt,
und Energie aufgenommen bzw. abgeleitet wird, wenn sich das erste
und das zweite bewegbare Element 22, 24 relativ
zueinander bewegen. Ohne an diese Erklärung gebunden zu sein, wird
angenommen, dass der Magnetfluss in dem Spalt bewirkt, dass die
Magnetteilchen Ketten oder ein Gitter von miteinander verbundenen
Teilchen bilden, die aneinander und an den gegenüberliegenden Oberflächen der
Leiterelemente haften. Eine Relativbewegung zwischen den Leiterelementen
verformt das Magnetteilchengitter. Einige Ketten oder einige Teile
des Gitters beginnen selbst bei der kleinsten Relativbewegung zu
brechen und sich neu zu bilden. Das erzeugt eine Kraft in die Richtung,
die der Relativbewegung entgegengesetzt ist, und es wird somit Energie
aufgenommen bzw. abgeleitet, wenn eine Bewegung auftritt. Wenn sich
die Relativbewegung fortsetzt, wer den die Bindungen über mehr
und mehr von dem Spalt gebrochen und neu gebildet, bis sie über den
ganzen Spalt gebrochen werden und neu gebildet werden. Für eine Bewegung,
die groß genug
ist, dass der gesamte Spaltbereich am Brechen und Neubilden der
Bindungen beteiligt ist, wird eine Grenzkraft, die auch als Schlupfkraft
(slip force) bekannt ist, zwischen den sich bewegenden Elementen
erzeugt. Sobald diese Schlupfkraft erreicht ist, steigt die Widerstandskraft
nicht weiter an. Statt dessen erzeugt eine weitere kontinuierliche
Bewegung die gleiche Widerstandskraft, d. h. in etwa der Größe der Schlupfkraft.
Wenn die Relativbewegung aufhört,
richten sich die Ketten oder richtet sich das Gitter neu aus, und
die Widerstandskraft fällt
auf Null ab. Wenn eine Relativbewegung in entweder der gleichen
Richtung oder in entgegengesetzter Richtung beginnt, wiederholt
sich der Prozess. Die Widerstandskraft wird im Wesentlichen bereitgestellt,
wenn eine Geschwindigkeit vorhanden ist, die nicht Null beträgt. Untersuchungen
haben gezeigt, dass die Größe der Relativbewegung,
die zum Erreichen der Schlupfkraft erforderlich ist, sehr klein
ist. Die tatsächliche
Größe dieser
Bewegung ist eine Funktion der speziellen Enwurfsparameter. Sie
liegt jedoch typischerweise in der Größenordnung von 0,25 mm (0,01
Inch) von Spitze zu Spitze. Daher ist die Dämpfungseffizienz bzw. der Dämpfungswirkungsgrad
für kleine
Verlagerungen sehr hoch, und über
dem Schlupfkraftwert nimmt sie langsamer zu, wenn die Verlagerungen
größer werden.
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In
vielen Entwurfssituationen ist eine hohe Dämpfung für kleine Verlagerungen erwünscht. Weiterhin ist
es so, dass viele herkömmliche
Dämpfungsvorrichtungen
im Vergleich zu der Dämpfung
bei großen
Verlagerungen für
kleine Verlagerungen weniger Dämpfung
liefern. Ein Magnetteilchen-Dämpfer
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die benötigte
hohe Dämpfung
für sehr
kleine Verlagerungen zur Verfügung
stellen, und somit in solchen Situationen herkömmliche Dämpfungsvorrichtungen ersetzen
oder ergänzen.
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Immer
noch auf 1 Bezug nehmend, ist das Magnetelement 42 ein
Permanentmagnet mit Nord- und Südpol 44 bzw. 46,
der so ausgerichtet ist, wie es dargestellt ist, und der ein Magnetfeld
erzeugt, dass sich vorherrschend an den Magnetflusspfad anpasst,
der durch die Pfeile 29a, 29b und 29c gekennzeichnet
ist. Es ist jedoch leicht zu erkennen, dass ein Elektromagnet oder
eine Kombination eines Elektromagneten und eines Permanentmagneten
als das magnetische Element der vorliegenden Erfindung verwendet
werden könnte.
Die Verwendung eines Elektromagnets erlaubt es, die Dichte des Magnetflusses
zu verändern,
wie es im Stand der Technik bekannt ist. Das Verändern der Magnetflussdichte
im Spaltbereich des Dämpfers
erzeugt entsprechende Veränderungen
der magnetischen Anziehung zwischen den Magnetteilchen in dem Spalt
und verändert
somit die Energieaufnahme bzw. -ableitung (d. h. die Dämpfungskraft)
des Magnetteilchen-Dämpfers.
Somit kann die vorliegende Erfindung in Systemen verwendet werden,
die "aktive" oder "dynamische" Dämpfer erfordern,
die Dämpfungskräfte aufweisen,
die schnell verändert
werden können,
um sich an Änderungen
in dem System oder in Systemeingaben anzupassen. Es ist weiterhin
zu erkennen, dass je nach der gewünschten Form des Magnetflusspfads
die Ausrichtung der Pole eines Permanentmagneten oder die Ausrichtung
der Wicklungen eines Elektromagnetes gegenüber der Darstellung in 1 verändert werden
können,
ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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In
allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, dass der Spalt 32 zwischen dem
ersten und zweiten Leiterelement 26, 30 bei Vorliegen
der magnetischen Anziehung zwischen den Leiterelementen, die durch
die Anwesenheit des Magnetflusses dazwischen verursacht wird, beibehalten
wird. In einigen Ausführungsformen
kann der Spalt 32 durch die relative Ausrichtung der bewegbaren
Elemente 22,24 und durch die Steifigkeit der Verbindungen
zwischen den bewegbaren Elementen und den Leiterelementen 26, 30 aufrechterhalten
werden. In anderen Ausführungsformen,
wie beispielsweise in 1 gezeigt ist, kann der Magnetteilchen-Dämpfer 20 ferner
einen Rahmen 48 aufweisen, der zwischen das erste und das
zweite Leiterelement 26, 30 verbunden ist, um
den Spalt 32 dazwischen aufrechtzuerhalten.
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Auch
wenn ein Spalt aufrechterhalten werden muss, um die einzigartigen
Eigenschaften einer Magnetteilchendämpfung zu liefern, ist es wahrscheinlich,
dass sich in vielen Anwendungen die Spalthöhe, d. h. die senkrechte Entfernung
zwischen den Leiterelementen, während
des normalen Betriebs des Dämpfers
verändert.
So kann sich z. B. die Spalthöhe
in einem Voreilungs-Nacheilungs- bzw. Schwenkdämpfer (lead-lag damper) eines
Hubschraubers verändern,
wenn der Dämpfer
Schwingungskräften
unterworfen ist, die außerhalb
der Ebene wirken. Ein anderer Vorteil des Magnetteilchen-Dämpfers ist
jedoch, dass die Höhe
des Spalts verändert
werden kann, ohne die erzeugte Dämpfung
wesentlich zu verändern,
solange dieselbe Magnetflussdichte durch den Spalt beibehalten wird.
Weiterhin zeigt die Leistungsfähigkeit
von Magnetteilchen in Magnetteilchenkupplungen, dass praktisch kein
Verschleiss der Leiter auftritt, solange ein gewisser Spalt beibehalten wird.
Wenn durch übermäßige Belastung
oder Auslenkung der Spalt der Vorrichtung auf Null verringert wird, d.
h. das kein Spalt mehr vorhanden ist, liefert die Vorrichtung noch
eine Reibungsdämpfung,
da die Leiterelemente aneinander schleifen. Obwohl eine solche Reibungsdämpfung gegenüber der
Magnetteilchen-Dämpfung
andere Eigenschaften aufweist und zu Verschleiss an den Leiterelementen
führt,
liefert sie eine sichere Betriebsart bei Versagen in Fällen, in
denen immer irgendeine Form von Dämpfung benötigt wird, wie beispielsweise
bei einem Voreilungs-Nacheilungs- bzw.
Schwenkdämpfer
(lead-lag damper) eines Hubschraubers. Im Gegensatz dazu wird, wenn
ein herkömmlicher
Fluiddämpfer
sein Fluid verliert, fast keine Dämpfung zur Verfügung gestellt.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform weisen der erste
und zweite Leiter 26, 30 ferner Ausrichtungsstangen 50 bzw. 52 auf,
die zusammen mit Verbindungsstangen 27, 31 mit
Durchgängen 54 zusammenwirken,
die in dem Rahmen 48 gebildet sind, um die Ausrichtung
des ersten und zweiten Leiterelements 26, 30 beizubehalten
und den Spalt 32 dazwischen beizubehalten. Es ist leicht
zu erkennen, dass die Verwendung anderer im Stand der Technik bekannter
Strukturen für
den Rahmen 48 innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung
liegt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform
beschränkt
die Wechselwirkung zwischen dem Rahmenelement 48 und den
Verbindungsstangen 27, 31 und den Ausrichtungsstangen 50, 52 die Relativbewegung
zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterelement 26, 30 auf
eine im Wesentlichen translatorische Bewegung, d. h. die Leiterelemente
drehen sich nicht in Bezug zueinander.
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Nun
auf 2A Bezug nehmend, ist dort eine Endansicht des
Magnetteilchen-Dämpfers,
gesehen entlang den Linien 2A-2A von 1 dargestellt.
In 2A ist gezeigt, dass die Leiterelemente 26, 30 durch die
Wechselwirkung der Verbindungsstange 27 und der Ausrichtungsstange 52 in
den entsprechend geformten Durchgängen 54 des Rahmens 48 auf
eine Relativbewegung in Richtung des Pfeils 25 (am besten
in 1 zu erkennen) beschränkt sind, so dass der Spalt 32 zwischen
den Leiterelementen erhalten bleibt. 2B zeigt
eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in welcher die Durchgänge 54 in
dem Rahmen 48 angepasst sind, um es der Verbindungsstange 27 und
der Ausrichtungsstange 52 zu erlauben, sich in der durch
den Pfeil 56 gezeigten Richtung relativ zueinander sowie
in die durch den Pfeil 25 gezeigte Richtung (am besten
in 1 zu erkennen) zu bewegen, um eine zweidimensionale
translatorische Bewegung unter Beibehaltung des Spalts 32 zwischen
den Leiterelementen 26, 30 zu erlauben.
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Erneut
auf 1 Bezug nehmend, ist es unter vielen Betriebsbedingungen
erwünscht,
den Magnetteilchen-Dämpfer 20 und
insbesondere die Magnetteilchen 40 selbst gegenüber der äußeren Umgebung
zu schützen.
In solchen Fällen
kann der Magnetteilchen-Dämpfer 20 ferner
ein Gehäuse 58 mit
einer Wand 60 aufweisen, die einen inneren Hohlraum 62 bildet,
der den Spalt 32 und die Magnetteilchen 40 enthält. Die Wand 60 ist
angepasst, um eine Befestigung der Leiterelemente 26, 30 an
den bewegbaren Elementen 22, 24 zu erlauben und
um eine Relativbewegung zwischen den Leiterelementen zu erlauben.
In der in 1 dargestellten Ausführung umschließt die Wand 60 des
Gehäuses 58 den
Rahmen 48, die Leiterelemente 26, 30,
den Spalt 32 und die Magnetteilchen 40 und schützt dadurch
alle diese Elemente gegenüber
der äußeren Umgebung.
Es ist auch zu bemerken, dass in der dargestellten Ausführungsform
der Rahmen 48 von dem Gehäuse 58 getrennt ist,
wobei jedoch Ausführungsformen,
in denen der Rahmen und das Gehäuse
in einer einzigen Struktur kombiniert sind, innerhalb des Bereichs
der vorliegenden Erfindung liegen.
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Es
ist aus verschiedenen Gründen
bevorzugt, dass der Magnetteilchen-Dämpfer 20 gegenüber der äußeren Umgebung
abgedichtet ist. Erstens ist es erwünscht, das Eindringen von Umgebungsfeuchtigkeit
in den Dämpfer
zu steuern. Feuchtigkeit kann für
einige magnetische Materialien, die für Magnetteilchen 40 oder für Leiterelemente 26 und 30 verwendet
werden können,
korrosiv sein. Jedoch ist es selbst dann, wenn magnetische Materialien
verwendet werden, die nicht infolge von Feuchtigkeit korrodieren,
immer noch erwünscht, die
Feuchtigkeit zu steuern, da Feuchtigkeit die Magnetteilchen einfrieren
und ihre freie Bewegung verhindern kann, wodurch die Effektivität des Dämpfers beeinträchtigt wird.
Zweitens können
die Magnetteilchen durch Öle,
Lösungsmittel
oder andere Substanzen verunreinigt werden, die in die Vorrichtung
eintreten und die darin befindlichen Elemente angreifen oder korrodieren
oder in anderer Weise den normalen Betrieb stören. Drittens verhindert die
Abdichtung des Dämpfers
den Verlust von Magnetteilchen 40 aus dem Inneren der Dämpfungsvorrichtung.
In einigen Ausführungsformen
kann eine Gleitdichtung an der Wand 60 des Gehäuses 58 verwendet
werden, um eine Relativbewegung der Leiterelemente 26, 30 oder
ihrer jeweiligen Verbindungsteile, wie beispielsweise ihrer Verbindungsstangen 27, 31,
zu erlauben. Um zu verhindern, dass die Magnetteilchen austreten
und die umgebenden Komponenten verunreinigen, weist das Gehäuse 58 in
einer bevorzugten Ausführungsform,
wie sie in 1 dargestellt ist, ferner elastomere
Dichtungen 64 auf, die zwischen der Wand 60 und
jedem der Leiterelemente 26, 30 befestigt sind,
und die sich von dem inneren Hohlraum 62 durch die Wand 60 erstrecken.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform
sind die elastomeren Dichtungen 64 mit den Verbindungsstangen 27, 31 der
Leiterelemente 26, 30 an Vertiefungen 66 verbunden,
die in den Verbindungsstangen gebildet sind, um einen Schlupf der
elastomeren Dichtungen bezüglich
der Verbindungsstangen zu verhindern. In dieser Ausführungsform
erlaubt die Flexibilität
der Wand 60 und der elastomeren Dichtung 64 des Gehäuses 58 eine
Relativbewegung zwischen den Leiterelementen 26 und 30,
wobei der innere Hohlraum 62 gegenüber der äußeren Umgebung isoliert bleibt.
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Unter
vielen Betriebsbedingungen ist es vorteilhaft, die Unversehrtheit
des Gehäuses
zu überwachen, um
zu gewährleisten,
dass Feuchtigkeit oder andere Verunreinigungen nicht in die Dämpfervorrichtung
eingetreten sind und die darin befindlichen Magnetteilchen beeinflusst
haben. So könnte
zum Beispiel in den inneren Hohlraum des in 1 dargestellten
Dämpfers
eintretende Feuchtigkeit Korrosion der Magnetteilchen verursachen,
oder, unter Umständen
eines Betriebs bei niedrigen Temperaturen, könnte die Feuchtigkeit zu Eis
gefrieren und dadurch eine Relativbewegung zwischen den Leiterelementen 26, 30 verhindern
und die Dämpfungswirkung
der Dämpfervorrichtung stark
verschlechtern. Um die Unversehrtheit des Gehäuses zu überwachen, kann der Magnetteilchen-Dämpfer 20 ferner
ein unter Druck stehendes Gas (nicht dargestellt), das in dem inneren
Hohlraum 62 des Gehäuses 58 enthalten
ist, und einen Druckwandler 70 aufweisen, der in dem inneren
Hohlraum 62 des Gehäuses 58 angeordnet
ist. Das unter Druck stehende Gas könnte jedes einer Anzahl im
Stand der Technik bekannter Gasen aufweisen, die unter normalen
Betriebsbedingungen, die für
den Dämpfer
zu erwarten sind, nicht korrosiv und nicht kondensierbar sind. Solche
Gase würden
normalerweise unter anderem trockene Luft und Stickstoff enthalten.
Wenn das unter Druck stehende Gas und der Druckwandler 70 verwendet
werden, ist ein Versagen der elastomeren Dichtung 64 oder
eines anderen Teils des Gehäuses 58 durch
Verringerung in dem Druck des unter Druck stehenden Gases detektierbar,
wie sie durch den Druckwandler 70 gemessen wird und an
einem Terminal des Wandlers 72 detektiert werden kann.
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Da
Feuchtigkeit eine der wahrscheinlichsten Verunreinigungen ist, die
in das Gehäuse 58 eindringen und
die Dämpfungsleistung
verschlechtern kann, kann die Dämpfervorrichtung 20 ferner
einen Feuchtigkeitsdetektor 74 aufweisen, der in dem inneren
Hohlraum 62 des Gehäuses 58 angeordnet
ist. Der Feuchtigkeitsdetektor 74 kann als eine Alternative
zu oder in Kombination mit einem Druckwandler 70 verwendet
werden, wie er vorher beschrieben wurde. Wenn der Feuchtigkeitsdetektor 74 verwendet
wird, muss der innere Hohlraum 62 des Gehäuses 58 mit
einem trockenen Gas gefüllt
werden, wobei jedoch das Gas nicht auf einen Druck gebracht werden
muss, der den Umgebungsdruck der äußeren Umgebung übersteigt.
Wenn der Feuchtigkeitsdetektor 74 verwendet wird, ist ein
Versagen der elastomeren Dichtung 64 oder ein anderes Versagen der
Unversehrtheit des Gehäuses 58,
das es erlaubt, dass Feuchtigkeit in den inneren Hohlraum 62 eintritt, durch
die Anwesenheit von Feuchtigkeit detektierbar, wie sie durch den
Feuchtigkeitssensor 74 gemessen und am Feuchtigkeitsdetektorterminal 76 angezeigt
wird.
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Wie
bereits zuvor diskutiert wurde, kann eine Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vielzahl von Ausgestaltungen aufweisen. Nun auf die 3A und 3B Bezug nehmend,
ist eine alternative Ausführung
einer Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung 80 für die Dämpfung von
Bewegung zwischen einem ersten und einem zweiten Element 82 bzw. 84 (gestrichelt
dargestellt) gezeigt, die relativ zueinander bewegbar sind und die
sich in die Richtung bewegen, die allgemein durch den Pfeil 86 angegeben
ist. Wie bei den vorherigen Ausführungsformen
weist die Magnetteilchen-Dämpfungsvorrichtung 80 ein
erstes und ein zweites Leiterelement 88 bzw. 96, ein Magnetelement 89 und
eine Menge von trockenen Magnetteilchen 108 auf. Das erste
Leiterelement 88 ist an einem der bewegbaren Elemente anbringbar.
In der in 3A dargestellten Ausführungsform
weist das erste Leiterelement 88 eine Verbindungsstange 90 auf,
die durch einen Stift 91 an dem ersten bewegbaren Element 82 befestigt
werden kann. Das erste Leiterelement 88 hat einen magnetisch
permeablen Abschnitt 92, der einen ersten Teil (allgemein
durch Pfeile 94a gekennzeichnet) eines Magnetflusspfads
bildet, und nicht permeable Abschnitte 101, die dazu dienen,
den Magnetfluss entlang dem gewünschten
Pfad bzw. Weg zu richten. Das zweite Leiterelement 96 kann
an dem zweiten bewegbaren Element 84 befestigt werden und
ist von dem ersten Leiterelement 88 beabstandet, um einen Spalt 98 dazwischen
zu bilden.
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In
dieser Ausführungsform
umgibt das zweite Leiterelement 96 vollständig das
erste Leiterelement 88 und wirkt somit sowohl als ein Rahmen
als auch als ein Gehäuse
und auch als ein Leiterelement. Ein Ausrichtungsteil 97,
das an dem ersten Leiterelement 88 gebildet ist, wirkt
mit der Verbindungsstange 90 und mit den Durchgängen 99 zusammen,
die in dem zweiten Lei terelement 96 ausgebildet sind, um
die Bewegung zwischen den Leiterelementen auf eine Bewegung zu begrenzen,
die im Wesentlichen in Längsrichtung
erfolgt, und um den Spalt 98 beizubehalten. Erneut auf 3A Bezug
nehmend, ist zu erkennen, dass das zweite Leiterelement 96 direkt
mit dem zweiten bewegbaren Element 84 verbunden ist. Diese
Verbindung kann durch jede Anzahl von im Stand der Technik bekannten
Mitteln, wie Bolzen oder Schrauben (wenn eine lösbare Verbindung erwünscht ist)
oder Klebstoffe oder Schweißen
(wenn eine dauerhafte Verbindung erwünscht ist), hergestellt werden.
Das zweite Leiterelement 96 weist magnetisch permeable
Abschnitte 100, die einen zweiten Teil (allgemein durch
Pfeile 94b gekennzeichnet) des Magnetflusspfades bzw. magnetischen
Flussweges bilden, und magnetisch nicht permeable Abschnitte 102 auf,
die dazu dienen, den Magnetflusspfad im Wesentlichen entlang des
gewünschten
Pfades bzw. Weges zu richten. Die magnetisch permeablen Abschnitte 92, 100 des
ersten und zweiten Leiterelements 88, 96 weisen
jeweils Flussendbereiche 104, 106 auf, in denen
der Flusspfad in die Leiterelemente eintritt oder sie verlässt. Die
Position der Flussendbereiche wird durch die Geometrie der permeablen
Abschnitte 92, 100 und der nicht permeablen Abschnitte 101, 102 der
Leiterelemente bestimmt, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Die Flussendbereiche 104, 106 des ersten und zweiten Leiterelements
sind einander über
den Spalt 98 zugewandt. Eine Menge von trockenen Magnetteilchen 108 ist
in dem Spalt 98 zwischen den leitenden Abschnitten der
Leiterelemente angeordnet. Ein Teil der Magnetteilchen (mit 108a bezeichnet),
der zwischen den Flussendbereichen 104, 106 des
ersten und zweiten Leiterelements angeordnet ist, bildet einen dritten
Teil (allgemein durch Pfeile 94c gekennzeichnet) des Magnetflusspfades
bzw. magnetischen Flussweges.
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In
dieser alternativen, in den 3A und 3B dargestellten
Ausführungsform
ist das Magnetelement bzw. magnetische Element 89 an dem
ersten Leiterelement 88 angebracht, wobei seine ma gnetische Achse
(d. h. eine Linie, welche die entgegengesetzten Magnetpole verbindet)
senkrecht zu der Überbrückungsabmessung
des Spalts 98 ausgerichtet ist. Das Magnetelement 89 ist
einem zweiten Flussendbereich (als 110 dargestellt) des
zweiten Leiterelements 96 über den Spalt 98 zugewandt.
Der Teil (als 108b gezeigt) von Magnetteilchen zwischen
dem magnetischen Element 89 und dem zweiten Flussendbereich 110 bildet
einen vierten Teil (allgemein durch Pfeile 94d gekennzeichnet)
des Magnetflusspfades bzw. magnetischen Flussweges. Wie in den 3A und 3B zu
sehen ist, weist im vorliegenden Fall der Magnetflusspfad 94 eine
allgemein toroidale bzw. ringförmige
Form auf, d. h. der Fluss verläuft
in axialer Richtung nach oben durch das Magnetelement 89 (dargestellt
durch das Symbol ʘ in 3B),
verläuft
dann radial nach außen
durch den oberen Abschnitt des ersten Leiterelements 88,
dann axial nach unten (dargestellt durch das Symbol ⊕ in 3B)
durch den äußeren Abschnitt
des ersten Leiterelements 88 und den Teil 108a der
Magnetteilchen, dann radial nach innen durch den permeablen Abschnitt 100 des
zweiten Leiterelements 96, dann axial nach oben durch den
Teil 108b der Magnetteilchen und zurück zu der gegenüberliegenden
Seite des Magnetelements 89. Es ist zu bemerken, dass die "Richtung" des Strömens des
Flusses von der Ausrichtung des Magnetelements 89 abhängig ist
und dass der Dämpfer 80 genauso
gut funktionieren würde,
wenn der Fluss in die entgegengesetzte Richtung strömen würde. Diese
toroidale bzw. ringförmige
Flusspfadausgestaltung für
den Magnetdämpfer 80 liefert
eine hocheffektive Einheit, weil sich ein bedeutender Teil der Magnetteilchen 108 in dem
Spalt 98 in dem Flusspfad befindet und damit zu der Dämpfungswirkung
beiträgt.
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Während es
für das
Magnetelement 89 möglich
ist, die Magnetteilchen 108 direkt zu berühren, ist
in der alternativen, in den 3A und 3B dargestellten
Ausführungsform
ein drittes Leiterelement 112 vorgesehen, das fest an dem
magnetischen Element 89 befestigt ist und dem zweiten Flussendbereich 110 des zweiten
Leiterelements 96 zugewandt ist. Das dritte Leiterelement 112 kann
direkt an dem Magnetelement 89 befestigt sein, oder, wie
am besten in 3A zu erkennen ist, das dritte
Leiterelement 112 kann durch eine magnetisch nicht permeable
Schraube 114 oder andere im Stand der Technik bekannte
Mittel an dem ersten Leiterelement 88 befestigt sein und
dadurch das Magnetelement 89 zwischen den beiden Leiterelementen 88, 112 einschließen. Diese
Anordnung ist vorteilhaft, weil sie das Magnetelement 89 gegen
Verschleiß oder
Erosion infolge direkter Berührung
mit den Magnetteilchen 108 schützt. Es hält auch die betriebsmäßige Unversehrtheit
des Magnetelements 89 aufrecht, selbst wenn das Element
während
des Betriebs Risse bekommt oder auseinanderbricht, weil selbst dann,
wenn das Magnetelement 89 auseinanderbricht, für viele
magnetische Materialien die Magnetwirkung wenig verändert wird,
wenn die Position der Stücke
relativ zueinander und zu den Leiterelementen beibehalten wird.
Das dritte Leiterelement 112 hat magnetisch permeable Abschnitte 116,
die einen fünften
Teil (allgemein durch Pfeile 94e gekennzeichnet) des Magnetflusspfades
bzw. magnetischen Flussweges bilden. Es ist leicht zu erkennen,
dass die Verwendung eines dritten Leiterelements mit anderen Ausgestaltungen
sich ebenfalls innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung
befindet. In der in den 3A und 3B dargestellten
Ausführungsform
ist ein Dichtungselement 118 zwischen dem ersten und zweiten
Leiterelement 88, 96 vorgesehen, um die Magnetteilchen 108 in
dem Spalt 98 einzuschließen. Das Dichtungselement 118 kann
aus Gummi bzw. Kautschuk oder aus einem anderen im Stand der Technik bekannten
elastomeren Material ausgebildet sein, das den Verlust von Magnetteilchen
verhindert, während
es eine Relativbewegung zwischen den Leiterelementen erlaubt.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Leiterelemente ausgestaltet sein, um mehrere mit Magnetteilchen
gefüllte
Spalte zu bilden, die in Reihe entlang einem einzigen Magnetflusspfad
angeordnet sind. Auf 4 Bezug nehmend ist eine alternative
Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung 170 für das Dämpfen von
Schwingungsbewegung zwischen einem ersten und einem zweiten relativ zueinander
bewegbaren Element 172 bzw. 174 dargestellt, die
sich in die Richtung bewegen, die allgemein durch den Pfeil 176 gekennzeichnet
ist. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen weist die Dämpfervorrichtung 170 ein
erstes und ein zweites Leiterelement 178 bzw. 180,
ein Magnetelement bzw. magnetisches Element 182 und eine
Menge von Magnetteilchen 184 auf. In der dargestellten
Ausführungsform
ist ein zweites Magnetelement 183 vorgesehen, um eine symmetrische
Ausgestaltung zu erzeugen, wobei jedoch die Verwendung von mehreren
Magnetelementen nicht erforderlich ist.
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Das
erste Leiterelement 178 ist an eines der bewegbaren Elemente
anbringbar, und das zweite Leiterelement 180 an ein anderes
der bewegbaren Elemente anbringbar. In der in 4 dargestellten
Ausführungsform
ist das erste Leiterelement 178 mit dem ersten bewegbaren
Element 172 verbunden, und das zweite Leiterelement 180 ist
mit dem zweiten bewegbaren Element 174 verbunden. Zumindest
eines der Leiterelemente weist mehrere (d. h. zumindest zwei) Plattenabschnitte
auf, die voneinander beabstandet und allgemein parallel zueinander
angeordnet sind, um einen Schlitz dazwischen zu bilden. Das andere
Leiterelement weist zumindest einen Plattenabschnitt auf, der zwischen
den mehreren Plattenabschnitten des ersten Leiterelements angeordnet
ist, um mehrere Spalte zwischen den jeweiligen Plattenabschnitten
der beiden Leiterelemente zu bilden. Diese Spalte sind mit trockenen
Magnetteilchen gefüllt.
Zum Beispiel weist in der in 4 dargestellten
Ausführungsform
das erste Leiterelement 178 zwei Plattenabschnitte 186 und 187 auf,
und das zweite Leiterelement 180 weist ebenfalls zwei Plattenabschnitte 188 und 190 auf.
Die Plattenabschnitte sind ineinander verschachtelt, um drei Spalte 192 zu
bilden, und jeder der Spalte 192 ist mit einer Menge von
trockenen Magnetteilchen 184 gefüllt. Elastomere Abstandselemente 185 sind
vorgesehen, um den Abstand zwischen den Leiterelementen in dieser
Ausführungsform
beizubehalten, obwohl andere Mittel zum Beibehalten des Abstands
der Leiterelemente verwendet werden könnten, wie es vorher diskutiert
wurde. Jedes der Leiterelemente weist magnetisch permeable Abschnitte
und magnetisch nicht permeable Abschnitte auf, die einen Magnetflusspfad
bzw. magnetischen Flussweg bilden, der im Wesentlichen den Magnetfluss
des Magnetelementes entlang einem gewünschten Pfad durch jeden der
mit Magnetteilchen gefüllten
Spalte richtet. In der in 4 dargestellten
Ausführungsform
weist das erste Leiterelement 178 permeable Abschnitte 194 und nicht
permeable Abschnitte 196, 198 und 200 an
dem oberen Plattenabschnitt 186 und permeable Abschnitte 202 und 204 und
den nicht permeablen Abschnitt 206 an dem unteren Plattenabschnitt 187 auf.
Das zweite Leiterelement 180 weist den permeablen Abschnitt 208 und
die nicht permeablen Abschnitte 210 und 212 an dem
unteren Plattenabschnitt 190 und permeable Abschnitte 214 und 216 und
den nicht permeablen Abschnitt 218 an dem oberen Plattenabschnitt 188 auf.
Die permeablen und die nicht permeablen Abschnitte der Leiterelemente
definieren einen Flusspfad bzw. Flussweg, der allgemein durch die
Pfeile 220 bezeichnet ist und den Magnetfluss von den Magnetelementen 182 und 183 in
einem Magnetkreis richtet, der sich von den Polen der Magnetelemente 182 und 183 erstreckt
und durch die permeablen Abschnitte der Leiterelemente und die in den
Spalten 192 zwischen den Leiterelementen angeordneten Magnetteilchen 184 verläuft. Das
Verhalten der Magnetteilchen 184 in den Spalten 192 entlang
des Magnetflusspfades 220 ist identisch zu dem in den vorhergehenden
Ausführungsformen
beschriebenen Verhalten, d. h. die Magnetteilchen haften aneinander
und an den sich gegenüberliegenden
bzw. einander zugewandten Oberflächen
der Leiterelemente, was eine Kraft erzeugt, die einer Relativbewegung
zwischen den Leiterelementen entgegenwirkt und dadurch Energie aufnimmt bzw.
ableitet, wenn sich die Leiterelemente relativ zueinander bewegen.
Durch das Stapeln bzw. Schichten der Spalte in Reihe kann jedoch
die aktive Fläche
der Magnetteilchen, welcher die eigentliche Dämpfungsvorrichtung darstellt,
ohne bedeutendes Vergrößern der
Fläche
oder der Ausmaße
des Dämpfergehäuses vergrößert werden.
Solche Ausgestaltungen können
verwendet werden, um eine größere Dämpfungswirkung
in einer kompakteren Einheit für
Anwendungen zur Verfügung
zu stellen, bei denen der Platzbedarf im Vordergrund steht. Es ist
jedoch leicht zu erkennen, dass die Anzahl der in einer ineinander
verschachtelten Ausgestaltung, wie sie in 4 gezeigt
ist, verwendeten Spalte nach Bedarf vergrößert werden kann, ohne von
dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Nun
auf die 5A bis 5E Bezug
nehmend, sind Diagramme, in welchen die Kraft gegenüber der Verlagerung
aufgetragen ist und die auch als Kraft-Verlagerungs-Kreuzdiagramme
bekannt sind, für
verschiedene Dämpfer
dargestellt, um den Betrieb und die Vorteile der vorliegenden Erfindung
zu erläutern.
Es ist zu bemerken, dass die Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung der vorliegenden
Erfindung wie jeder Dämpfer
nur Energie aufnimmt bzw. ableitet, wenn sich die bewegbaren Elemente,
mit denen sie verbunden ist, relativ zueinander bewegen. Somit gelten
die in den 5A bis 5E dargestellten
Kraft-gegen-Verlagerung-Diagramme für bewegbare Elemente, die relativ
zueinander mit einer Frequenz ω schwingen
bzw. oszillieren. In diesen Kreuzdarstellungen stellt die Verlagerung
d die Verlagerung der bewegbaren Elemente des Dämpfers relativ zueinander dar,
während
die Kraft f die Kraft darstellt, welche durch den Dämpfer erzeugt
wird und der Relativbewegung der bewegbaren Elemente entgegenwirkt.
Die von einem Dämpfer
pro Zyklus aufgenommene bzw. abgeleitete Energie ist gleich der
Fläche,
die durch die Kraft-Verlagerungs-Kreuzdarstellung eingeschlossen
wird. Daher kann die vergleichsweise Energieaufnahme bzw. -ableitung
verschiedener Dämpfer durch
Vergleich der Fläche
ein geschätzt
werden, die durch die jeweilige Kreuzdarstellung jedes Dämpfers eingeschlossen
wird. Ferner kann die Dämpfereffizienz
objektiv quantifiziert werden, indem die gemessene Dämpfungsenergie,
die pro Zyklus aufgenommen bzw. abgeleitet wird, mit der durch einen
sogenannten perfekten Reibungsdämpfer
pro Zyklus aufgenommenen bzw. abgeleiteten Energie verglichen wird.
Ein perfekter Reibungsdämpfer
würde eine
Kraft-Verlagerungs-Kreuzdarstellung haben, die durch ein Rechteck
beschrieben wird, wie es in 5A dargestellt
ist. Die pro Zyklus für
einen solchen perfekten Reibungsdämpfer aufgenommene bzw. abgeleitete
Dämpfungsenergie
würde die
Fläche
des Rechtecks sein, d. h. (fmax – fmin)·(dmax – dmin), wobei dmax und
dmin jeweils die Spitzenverlagerungen in
jede Richtung der bewegbaren Elemente relativ zueinander sind und
fmax und fmin jeweils
die Spitzenkräfte
in jede Richtung sind, die von dem Dämpfer erzeugt werden, um der
Relativbewegung der bewegbaren Teile entgegenzuwirken. Für die Zwecke
der vorliegenden Anmeldung wird die Dämpfungseffizienz eines Dämpfers bzw.
einer Dämpfungsvorrichtung
im Weiteren als das Verhältnis
der pro Zyklus durch den in Frage stehenden Dämpfer aufgenommenen bzw. abgeleiteten
Energie zu der von einem perfekten Reibungsdämpfer mit gleichen Spitzenverlagerungen
und Spitzenkräften
aufgenommenen bzw. abgeleiteten Energie definiert und in Prozent
ausgedrückt.
Eine Dämpfungseffizienz
von 100% bedeutet, dass der in Frage kommende Dämpfer so effizient ist wie
ein perfekter Reibungsdämpfer.
Zum Vergleich angeführt,
würde ein
rein viskoser Dämpfer
eine Kraft-Verlagerungs-Kreuzdarstellung haben, die durch eine Ellipse
beschrieben ist, wie es in 5B dargestellt
ist. Die pro Zyklus für
einen solchen rein viskosen Dämpfer
aufgenommene bzw. abgeleitete Dämpfungsenergie
ist die Fläche
der Ellipse, d. h. (π/4)·(fmax – fmin)·(dmax – dmin). Somit beträgt die Effizienz eines rein
viskosen Dämpfers
78,5%, d. h. in jedem Zyklus nimmt er 78,5% der Energie auf bzw.
leitet diese ab, die von einem reinen Reibungsdämpfer aufgenommen bzw. abgeleitet
wird.
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Nun
auf die 5C bis 5E Bezug
nehmend, sind dort Kraft-Verlagerungs-Kreuzdarstellungen
für einen
Magnetteilchen-Dämpfer
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung (dargestellt als Kurve A) und einen elastomeren
Dämpfer
gemäß dem Stand
der Technik (dargestellt als Kurve B) gezeigt. In jedem Fall wurden
die bewegbaren, an dem Magnetteilchen-Dämpfer und dem elastomeren Dämpfer befestigten
beweglichen Elemente mit gleicher Frequenz (in diesem Fall ω = 4,0 Hz)
in Schwingungen mit annäherungsweise gleichen
Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen d (etwa 0,004 bis 0,10 Inch von Spitze
zu Spitze) versetzt. In jedem Fall wurden auch die entgegenwirkenden
Kräfte
f, die durch die jeweiligen Dämpfer
in Reaktion auf die Bewegung erzeugt wurden, gemessen, um die Kreuz-Diagramme
zu erzeugen.
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Nun
auf die 7A und 7B Bezug
nehmend, sind dort Diagramme der Dämpfungseffizienz aufgetragen über der
Spitze-zu-Spitze-Verlagerung
und der pro Zyklus aufgenommenen bzw. abgeleiteten Energie/Spitze-zu-Spitze-Verlagerung
aufgetragen über
den Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen für einen Magnetteilchen-Dämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung
und für
einen elastomeren Dämpfer
gemäß dem Stand
der Technik dargestellt. Wie in 7A zu
sehen ist, ist über
den gesamten Testbereich die Dämpfereffizienz
des Magnetteilchen-Dämpfers
höher als
die des elastomeren Dämpfers.
Die vergleichsweise Verbesserung der Dämpfung bei geringer Verlagerung
ist sehr groß.
Wie in 7B zu sehen ist, weist der Magnetteilchen-Dämpfer eine
Energieaufnahme bzw. -ableitung pro Zyklus/Spitze-zu-Spitze-Verlagerung
auf, die bei geringen Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen höher als
die des elastomeren Dämpfers
ist, die jedoch bei mäßigen Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen
geringer als die des elastomeren Dämpfers ist. Somit hat der Magnetteilchen-Dämpfer bei
geringen Verlagerungen eine bessere Dämpfung, aber erzeugt für Verlagerungen
mit großer Amplitude
weniger Wärme
und geringere Belastungen.
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Die
tatsächlichen
Leistungen eines Magnetteilchen-Dämpfers gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
und eines elastomeren Dämpfers
gemäß dem Stand
der Technik sind in den
5C,
5D und
5E für drei unterschiedliche
Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen dargestellt. Die berechneten Dämpfereffizienzen
für diese
Bedingungen sind in Tabelle 1 gezeigt. Zuerst auf
5C Bezug
nehmend, ist dort ein Kreuzdiagramm für kleine Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen
dargestellt, die Spitzenkräften
auf den Magnetteilchen-Dämpfer
entsprechen, die unter dem Schlupfgrenzwert liegen. Tabelle 1 Vergleich von Magnetteilchen-Dämpfer und
elastomerem Dämpfer
| Spitze-zu
Spitze-Verlagerung (ungefähr) Inch | Dämpfungseffizienz
in Prozent des idealen Reibungsdämpfers | Energieaufnahme
bzw. -ableitung pro Zyklus/Spitze-zu-Spitze-Verlagerung Inch Pound/Inch |
| | Magnetteilchen-Dämpfer | elastomerer Dämpfer | Magnetteilchen-Dämpfer | elastomerer Dämpfer |
| 0,004 | 33 | 15 | 31 | 8 |
| 0,008 | 55 | 19 | 43 | 20 |
| 0,090 | 76 | 43 | 104 | 132 |
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Bei
Oszillationen bzw. Schwingungen einer solch kleinen Amplitude erzeugt
der Magnetteilchen-Dämpfer
größere entgegenwirkende
Kräfte
und nimmt Energie effektiver auf bzw. leitet Energie effektiver ab,
als der elastomere Dämpfer
des Standes der Technik.
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Als
nächstes
auf 5D Bezug nehmend, ist dort ein Kreuzdiagramm für die beiden
Dämpfer
von 5C für
Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen
gezeigt, die Spitzenkräften
auf die Magnetteilchen-Dämpfer
entsprechen, die nahe der Schlupfkraftgrenze liegen. Für Schwingungen
bzw. Oszillationen dieser Amplitude erzeugt der Magnetteilchen-Dämpfer etwa
die gleichen entgegenwirkenden Kräfte wie der elastomere Dämpfer, nimmt
jedoch pro Zyklus mit höherer
Effizienz beträchtlich
mehr Energie auf bzw. leitet diese ab.
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Schließlich auf 5E Bezug
nehmend, ist dort ein Kreuzdiagramm für die beiden Dämpfer von 5C für Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen gezeigt,
welche die Verlagerung überschreiten,
die der Schlupfkraft entspricht und einen Schlupf der Magnetteilchen
bewirken. Der Schlupf der Magnetteilchen hält die Spitzenkräfte auf
den Magnetteilchen-Dämpfer
etwa auf dem Schlupfkraftniveau, während die Spitzenkräfte auf den
elastomeren Dämpfer
viel größer sind.
Somit erzeugt für
solche relativ großen
Spitze-zu-Spitze-Verlagerungen der Magnetteilchen-Dämpfer wegen des eingebauten
Kraftgrenzwerts, der durch den Schlupf der Magnetteilchen bewirkt
wird, bedeutend geringere Spitzenkräfte als der elastomere Dämpfer. Diese
geringere Spitzenkraft erlaubt es, dass der Magnetteilchen-Dämpfer oder
die zugehörigen
strukturellen Elemente im Vergleich zum Stand der Technik eine verringerte
maximale Stärkeanforderung
haben, was Ausgestaltungen mit geringerem Gewicht ermöglicht.
Die geringere Energieaufnahme bzw. -ableitung pro Zyklus dient auch
dazu, bei größeren Schwingungen
bzw. Oszillationen den Wärmeaufbau
in dem Dämpfer
zu verringern. Dieses einzigartige und unerwartete Ergebnis hoher
Dämpfungseffizienz
bei geringen Verlagerungen gekoppelt mit der sich selbst begrenzenden
Dämpferkraft
und hoher Effizienz bei größeren Verlagerungen
erlaubt es der Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung
der vorliegenden Erfindung, Vibrationen niedriger Amplitude auszudampfen, während der
Aufbau von übermäßigen Belastungen
und/oder über mäßiger Wärme vermieden
wird, wenn derselbe Dämpfer
in Anwendungen mit großer
Amplitude verwendet wird.
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Trockene
Magnetteilchen, die für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind trockene
Teilchen aus irgendeinem permeablen Material, einschließlich Teilchen,
die reines Eisen, Siliziumeisen (verschiedene Siliziumgehalte),
Eisenoxid, rostfreien Stahl (z. B. als Pulver, das aus hartgezogenem
rostfreien Draht 303, 304 oder 316 hergestellt
ist), Strontiumferrit und magnetische Legierungen aufweisen, wie
es im Stand der Technik bekannt ist. In einer Ausführungsform
weisen die trockenen Magnetteilchen eine magnetische rostfreie bzw.
Edelstahllegierung des Typs rostfreier Stahl 304 auf. In
einer anderen Ausführung
weisen die trockenen Magnetteilchen Strontiumferrit auf, das sowohl
magnetisch ist als auch keine Tendenz zum Rosten zeigt. Die trockenen
Magnetteilchen, die für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, weisen
einen Durchmesser in dem Bereich von etwa 1 bis 100 μm auf, wobei
ein bevorzugter Durchmesser in dem Bereich von etwa 2 bis 8 μm liegt.
In einigen Ausführungsformen
können
die trockenen Magnetteilchen mit einem trockenen Schmiermittel,
beispielsweise Graphitpulver, trockenes Siliziumpulver und Stearinsäure, zusammengemischt
sein. Der Zweck des trockenen Schmiermittels besteht darin, die
Wechselwirkungskräfte
vom Reibungstyp zu verringern und auf diese Weise zu gewährleisten,
dass die Ausbrechkraft minimiert wird.
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Die
zuvor beschriebene Dämpfervorrichtung
kann in ihrer einfachsten Ausführungsform
so dargestellt werden, wie es in 6A gezeigt
ist, wobei die Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung 120 zwischen
ein erstes bewegbares Elemente 122 und ein zweites bewegbares
Elemente 124 verbunden dargestellt ist. Für Beschreibungszwecke
wird das erste bewegbare Elemente 122 als feststehend angenommen,
während
das zweite bewegbare Element 124 als in die durch den Pfeil 126 angezeigte
Richtung schwingend bzw. oszillierend angenommen wird. In der schematisch
in 6A gezeigten Ausführungsform besteht die Dämpfervorrichtung 120a nur
aus einem Magnetteilchen-Dämpfer 128,
wie er vorher beschrieben wurde. Nun allgemein auf die 6B bis 6D Bezug
nehmend, kann dann, wenn es gewünscht
ist, die Dämpfungseigenschaften
einer Dämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verändern,
der Magnetteilchen-Dämpfer
mit linearen und nicht linearen Federn, Massen und Dämpfern (Magnetteilchen
oder andere Arten) kombiniert werden, wie es erforderlich ist, um
gewünschte
dynamische Systeme zu entwickeln und auszugestalten, wie es im Stand der
Technik bekannt ist. Solche Verwendungen des Magnetteilchen-Dämpfers liegen
innerhalb des Bereichs dieser Erfindung. Zuerst auf 6B Bezug
nehmend weist eine erste alternative Magnetteilchenvorrichtung 120b einen
Magnetteilchen-Dämpfer 128 auf,
der in paralleler Anordnung mit einem Federelement 130 verbunden
ist. Nun auf 6C Bezug nehmend weist eine
zweite alternative Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung 120c einen
Magnetteilchen-Dämpfer 128 auf,
der in Reihe mit einer Feder 132 verbunden ist. Nun auf 6D Bezug
nehmend weist eine dritte alternative Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung 120d einen
Magnetteilchen-Dämpfer 128 auf,
der in paralleler Anordnung mit einer Feder 134 verbunden
ist, wobei sowohl der Dämpfer 128 als
auch die erste Feder 134 in Reihe mit einer zweiten Feder 136 verbunden
sind.
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Nun
auf die 8A und 8B Bezug
nehmend sind dort zwei Ausführungsformen
eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung dargestellt. In
jeder Ausführungsform
ist eine Hubschrauberrotoranordnung 140 (dargestellt als
entweder 140a oder 140b) vorgesehen, die ein rotierendes
Joch- bzw. Gabelelement (yoke member) 142, ein Blattelement 144 und
einen Magnetteilchen-Dämpfer 146 aufweist.
Das Gabelelement 142 weist einen ersten Dämpfer- bzw.
Dämpfungseinrichtungs-Befestigungs abschnitt 148 auf,
und das Blattelement 144 weist einen zweiten Dämpfer- bzw.
Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt 150 auf,
der in einem durch den Pfeil 152 dargestellten Abstand
von dem Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt des
Gabelelements angeordnet ist. Das Blattelement 144 ist
in Bezug auf das Gabelelement 142 beweglich, um zu bewirken,
dass sich der Abstand 152 zwischen dem ersten und dem zweiten
Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt
verändert.
Der Magnetteilchen-Dämpfer 146 weist
ein erstes Leiterelement 154, das mit einem der Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt
verbunden ist, im vorliegenden Fall mit dem ersten Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt 148,
und ein zweites Leiterelement 156 auf, das an dem anderen
Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt
angebracht ist, im vorliegenden Fall dem zweiten Dämpfungseinrichtungs-Befestigungsabschnitt 150.
Der Dämpfer 146 weist
eine Magnetteilchen-Dämpfervorrichtung
auf, wie sie vorher beschrieben wurde. Die Schwingungen bzw. Oszillationen
des Blattelements 144 in der Schwenkrichtung bzw. Voreilungs-Nacheilungs-Richtung
(lead-lag direction), die durch den Pfeil 158 gezeigt ist,
bewirken, dass sich der Abstand 152 verändert, so dass der Magnetteilchen-Dämpfer 146 Energie aufnimmt
bzw. ableitet und dadurch die Schwingungen bzw. Oszillationen dämpft. Die
Hubschrauberrotoranordnung dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung
kann vom lagerlosen, in 8A dargestellten
Typ sein, bei dem das Blatt 144 mit der Gabel bzw. dem
Joch 142 mit Hilfe eines biegsamen Abschnitts 160 verbunden ist,
wie es im Stand der Technik bekannt ist. Alternativ kann die Hubschrauberrotoranordnung 140 vom
herkömmlichen
Typ sein, wie er als 140b in 8B gezeigt
ist, wobei das Blattelement 144 mit dem Gabelelement 142 durch
ein Schwenklager bzw. Voreilungs-Nacheilungs-Schwenklager (lead-lag pivot bearing) 162 verbunden
ist, wie es im Stand der Technik bekannt ist.