ES2247353T3 - Dispositivo amortiguador de vibraciones. - Google Patents
Dispositivo amortiguador de vibraciones.Info
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Abstract
Dispositivo de amortiguación de vibraciones, que incluye un dispositivo de conversión de energía mecánica en energía eléctrica montado en una base (2) destinada a ser fijada a una estructura, incluyendo dicho dispositivo de conversión un motor electrodinámico con una bobina (20) unida mecánicamente a la base, caracterizado porque dicho dispositivo de conversión incluye, además, un circuito magnético (10, 11, 12) suspendido por al menos un muelle (22), y porque la bobina (20) está acoplada a una carga eléctrica que presenta una componente resistiva, y presenta un dispositivo de mando (COM) para variar el valor de dicha componente resistiva, según por lo menos dos valores.
Description
Dispositivo amortiguador de vibraciones.
La presente invención tiene por objeto un
dispositivo amortiguador de vibraciones.
Se utiliza en la industria de los batidores
dinámicos, para evitar la propagación de vibraciones en una
estructura dada.
Esencialmente, se basan en sistemas
masa-muelle, como se representan en el documento
DE-A-19 517 630.
En algunas aplicaciones, especialmente en
aeronáutica, y más especialmente en el caso de los helicópteros, es
deseable que las prestaciones de los batidores puedan adaptarse en
función de las distintas configuraciones de vuelo, por medio de un
mando mediante el cual las características del batidor dependan tan
poco como sea posible de las condiciones de presión, temperatura y/o
hidrometría.
Según un primer aspecto, la invención pretende
resolver este problema, consistiendo la idea básica en el empleo de
un motor electrodinámico del que se hace variar la
amortiguación.
La invención se refiere asimismo a un dispositivo
de amortiguación de vibraciones que incluye un dispositivo de
conversión de energía mecánica en energía eléctrica, montado en una
base destinada a ser fijada a una estructura a apaciguar,
caracterizado porque dicho dispositivo de conversión incluye un
motor electrodinámico con una bobina unida mecánicamente a la base,
y un circuito magnético suspendido por, al menos, un muelle, y
porque la bobina está acoplada a una carga eléctrica que presenta
una componente resistiva, y porque presenta un dispositivo de mando
para variar el valor de dicha componente resistiva según, por lo
menos, dos valores.
El primer valor de mando puede corresponder a una
primera amortiguación (por ejemplo, dejando la bobina en circuito
abierto), y el segundo valor de mando a una amortiguación más
importante (por ejemplo, colocando la bobina en cortocircuito).
La invención se refiere asimismo al uso de un
dispositivo de amortiguación en una aeronave, especialmente un
helicóptero, caracterizado porque emplea, mediante un calculador de
vuelo, un mando del dispositivo de mando, según el primer valor de
mando, cuando la aeronave se encuentra en vuelo estático y, según el
segundo valor de mando, cuando la aeronave se encuentra en un estado
de cambio de rumbo.
La utilización de batidores dinámicos plantea
asimismo un problema de funcionamiento según una única dirección,
que es la del eje de simetría del sistema.
El problema planteado es el hecho de garantizar
unos desplazamientos según dicho eje únicamente para evitar
inconvenientes tales como vibraciones, parásitos, roces e, incluso,
la destrucción de la bobina.
La idea esencial, que consiste en el empleo de
uno o varios muelles de centrado adecuados, se materializa mediante
un dispositivo amortiguador de vibraciones que incluye un
dispositivo de conversión de energía montado en una base destinada a
fijarse en una estructura, presentando el dispositivo de conversión
de energía una parte móvil suspendida por al menos un muelle,
presentando la parte móvil por lo menos un muelle de centrado plano
que se extiende entre un área interior con un primer diámetro y un
área exterior con un segundo diámetro, presentando dicho muelle de
centrado por lo menos dos cortes, cada uno de ellos formando una
rama con, por lo menos, un tramo con su parte cóncava hacia el
exterior del muelle.
Por lo menos un corte puede ser, por lo menos en
parte, en espiral, por ejemplo una espiral parabólica.
Por lo menos un corte puede presentar un tramo
externo recto.
Cada corte equivale ventajosamente a entre 1 y
1,5 vueltas el perímetro de muelle.
Los cortes pueden ser 3 y preferiblemente 4 y, en
este último caso, cada corte se extiende preferiblemente sobre
sensiblemente una vuelta del perímetro de muelle.
Es particularmente ventajoso que un muelle de de
centrado esté formado por un apilamiento de muelles planos,
especialmente para formar una estructura laminada. En efecto, la
rigidez axial y el esfuerzo máximo alcanzado disminuyen con el
número de capas apiladas, lo que permite especialmente adaptar la
relación entre la rigidez axial y la rigidez radial del muelle de
centrado. Además, el esfuerzo máximo alcanzado disminuye con el
grosor de cada
capa.
capa.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán mejor con la lectura de la siguiente descripción,
realizada a título de ejemplo no limitativo, con relación a los
dibujos, en los cuales:
\newpage
- la figura 1 muestra una vista esquemática en
corte de un dispositivo según la invención,
- las figuras 2a y 2b representan,
respectivamente, en perspectiva y en corte un dispositivo según un
modo de realización preferido de la invención,
- la figura 3 muestra una realización de un
muelle de centrado ("spider") de tres ramas, y
- la figura 4 muestra una realización de un
muelle de centrado ("spider") de cuatro ramas.
El batidor representado en la figura 1 presenta
una base 1 que incluye una placa plana 2 destinada a ser
solidarizada a una estructura a apaciguar. Una bobina 20 es
solidaria de dicha base 1. A tal efecto, una varilla 23 lleva, en
sus dos extremos, dos bridas 3 y 24, una de las cuales 3 es
solidaria de la base 1, mientras que la otra 24 lleva la bobina 20.
La parte móvil, que incluye una pieza polar superior 11, una pieza
polar inferior 12 y un imán 10, está montada en un muelle 22 y
centrada mediante dos muelles de centrado superior 31 y superior 32
montados en una caja o ensaladera 40.
Se observa, a nivel de la bobina 20, la
estanqueidad proporcionada por el tejido ondulado 26 llevado por el
anillo plano 26 montado en la pieza polar 11.
El conjunto define un motor electrodinámico cuya
bobina es fija con relación a la base 1 y cuya parte móvil es una
masa Mb formada esencialmente por el circuito magnético, es decir,
las piezas polares 11 y 12 y el imán 10.
Un circuito de mando permite variar el valor de
una carga resistiva aplicada a los bornes de la bobina 20. Se puede
tratar de una resistencia variable, por ejemplo, una varistancia,
cuyo valor es función de una tensión eléctrica, o bien de un
reostato accionado por el dispositivo de mando. De este modo, se
puede variar la amortiguación entre dos extremos, es decir, una
amortiguación muy débil, dejando la bobina 20 en circuito abierto, o
una amortiguación máxima, colocando la bobina 20 en cortocircuito,
siendo entonces la resistencia de carga igual a la componente
resistiva intrínseca Ro de la bobina 20.
Se puede elegir un valor con una resistencia de
carga más elevada R1, para una primera amortiguación relativamente
débil, y más débil R2, para una amortiguación más importante.
Una amortiguación relativamente débil o mínima
conviene especialmente a una aeronave en vuelo estático, para el que
las vibraciones tienen un régimen establecido para el que se
proporciona al batidor un efecto máximo, mientras que una
amortiguación más importante puede elegirse durante un cambio de
rumbo, para evitar las transitorias capaces de desestabilizar el
batidor y/o elevar el nivel de vibración en la cabina.
Cuando funciona el batidor, existe un movimiento
relativo entre el circuito magnético de masa Mb y la base 1. La
bobina 20 se comporta pues como un generador de fuerza electromotriz
Eb = BL v, indicando BL el factor de fuerza del motor
electrodinámico (en N/A) y v la velocidad relativa entre el circuito
magnético de masa Mb y la base 1.
Se conecta la bobina 20 de independencia
eléctrica Zb a una carga con referencia Zc. Una fuerza Fa se
establece entre la bobina y el circuito de masa Mb, que se opone a v
(según la ley de Lenz) y tiene por expresión:
Fa =
(BL)2/Zb + Zc
V
Se acaba de poner en evidencia la expresión de
una fuerza de amortiguación.
Si se supone que la carga está formada por un
reostato (resistencia ajustable), se puede entonces variar el
coeficiente de amortiguación Cb (Cb = Fa/v) entre 2 valores
extremos.
Para obtener Cb máximo:
- -
- se debe elegir un motor electrodinámico cuyas características permitan maximizar la relación (BL)2/Zb,
- -
- Zc debe ser mínimo (Zc = 0, es decir, un cortocircuito franco).
Para obtener Cb mínimo:
- -
- basta con abrir el circuito eléctrico (Zc = )
La sintonización en frecuencia del batidor se
proporciona mediante la masa móvil y el conjunto de rigideces que
unen dicha masa con la base:
- 1.
- Rigidez total de los muelles de centrado 31 y 32: Ks
- 2.
- Rigidez total del (de los) muelle(s) de retorno 22: Kr
Por lo que se obtiene la relación:
Mb
*(2*\pi*Fb)2 = Ks +
Kr
Para repartir la rigidez entre los muelles de
retroceso y los muelles de centrado 31 y 32, se consideran los
esfuerzos siguientes:
- 1.
- Los muelles de centrado 31 y 32 no son solicitados cuando la masa Mb está sometida a una vez la gravedad.
- 2.
- La suma Ks + Kr se fija para respetar la relación (2).
El esfuerzo nº 1 impone que el peso estático de
la masa móvil Mb sea recuperado por el(los) muelle(s)
22. Su longitud en vacío se calcula pues para tener en cuenta esta
flexión estática, que se añade al movimiento dinámico: cuanto menor
es la rigidez Kr, mayor debe ser la longitud en vacío. Por lo tanto,
se debe elegir Kr lo bastante elevado como para que no se planteen
ciertas dificultades de integración (volumen, talonamiento de los
muelles, espiras solapadas).
En la práctica, no es posible que Ks tienda hacia
un valor arbitrariamente bajo, por los motivos expuestos a
continuación.
El batidor descrito funciona en una única
dirección, que es la del eje de simetría del sistema (eje vertical Z
en la figura 1, que pasa por el centro de la pieza).
Conviene garantizar un movimiento relativo entre
el circuito magnético de masa Mb y la base 1 según dicho eje,
únicamente con objeto de evitar cualquier riesgo de destrucción
mecánica de la bobina 20.
Por lo tanto, se excluyen a priori:
- -
- los desplazamientos radiales (según las direcciones X e Y perpendiculares a la dirección Z)
- -
- las rotaciones según los ejes X e Y
Para asegurar esta función, la masa Mb es guiada
por dos muelles 31 y 32 dispuestos a cada lado del circuito de masa
Mb. Son solidarios en su centro de un eje 23 solidario de la base 1,
y en su contorno del circuito de masa Mb.
Entre las demás técnicas de guiado que se podrían
haber elegido, mencionemos:
- 1.
- Los casquillos de bolas: solución más onerosa, que requiere un eje rectificado. Además, las características de roce seco son no lineales y evolucionan con el tiempo (desgaste de las zonas de contacto), lo que tendría por consecuencia modificar el comportamiento del batidor en el transcurso de su ciclo de vida. Además, sería necesario añadirle un sistema de bloqueo en rotación de la masa Mb según el eje Z.
- 2.
- Los cojinetes polímeros: esta solución requiere asimismo un eje rectificado. Además, las características de roce seco son no lineales y evolucionan con el tiempo (desgaste de las zonas de contacto), lo que tendría por consecuencia modificar el comportamiento del batidor en el transcurso de su ciclo de vida. Además, sería necesario añadirle un sistema de bloqueo en rotación de la masa Mb según el eje Z.
La figura 3 representa un muelle de centrado 21,
32 de metal, que presenta 4 cortes 50 (o rozas atravesantes), que
forman sendas ramas que se reparten con regularidad a 90º de
perímetro de una abertura 55, y que se extienden desde un extremo
interno 53 a proximidad de la abertura central 55 de diámetro Di,
hasta un extremo externo 54 a proximidad de un contorno externo 57
de diámetro De. Estos cortes 50 tienen un perfil redondeado convexo
hacia el exterior del muelle, especialmente en forma de espiral, y
preferiblemente de espiral parabólica.
Hacia su extremo 54, los cortes 50 presentan
preferiblemente un tramo lineal 5 cuya función es evitar
concentraciones de esfuerzos, como se explicará más adelante. En el
ejemplo representado, las ramas 50 forman un poco más de una vuelta
del perímetro del muelle, entre los extremos 53 y 54.
La figura 4 representa un modo de realización con
3 ramas cuyos extremos internos 63 están repartidos a 90º en el
contorno de una abertura central de diámetro Di, y que evolucionan
hasta un extremo 64 a proximidad del contorno externo 67 de diámetro
De. Como en el caso anterior, el perfil es ventajosamente en
espiral, y preferiblemente parabólico. Se extiende en un poco más de
una vuelta del muelle. Se ha previsto ventajosamente un tramo
extremo lineal 62, para evitar concentraciones de esfuerzos.
Los extremos 53, 54, 63, 64 está lo bastante
separados de las aberturas 55, 65 y de los contornos respectivos 57,
67, para permitir un engarce correcto del muelle sin concentración
de esfuerzos en dichos extremos.
Es especialmente ventajoso realizar los muelles
31, 32 en forma de un apilamiento de muelles, por ejemplo, en forma
de una estructura en láminas, es decir, un apilamiento de muelles
individuales solidarizados entre sí mediante, por ejemplo, un
adhesivo. Esto permite modificar la rigidez axial, que disminuye con
el número de capas, así como el esfuerzo máximo alcanzado.
Esto permite, en particular, ajustar la relación
entre la rigidez axial y la rigidez radial.
Las ventajas de los muelles de centrado 31 y 32
son las siguientes:
- 1.
- Ningún contacto entre piezas móviles: no se introduce linealidad alguna, sin roces parásitos.
- 2.
- Sencilla realización.
La realización de los muelles de centrado 31 y 32
respeta ventajosamente cierto número de esfuerzos:
- 1.
- Rigidez axial (según eje Z): debe ser inferior a un valor máximo Kz = Mb*(2*\pi*Fb)2
- 2.
- Rigidez radial (en el plano X, Y), según cualquier dirección radial: debe ser lo bastante grande como para evitar que las solicitaciones radiales aplicadas al batidor conduzcan a desplazamientos radiales relativos entre la bobina y el circuito magnético mediante flameado de los muelles, tales que podrían conducir a dañar dicha bobina. Esta característica también debe mantenerse cualquiera que sea la posición de la masa móvil según el eje Z. Por lo tanto, se deben eliminar los diseños de muelles que son susceptibles de flamear en las excursiones máximas de la masa móvil. La adopción de muelles de centrado que presentan cortes que forman ramas cóncavas hacia el exterior permite evitar el flameado.
- 3.
- Relación volumen (radial)/movimiento del muelle tan escaso como sea posible.
- 4.
- Esfuerzos máximos en el material tal que la pieza esté dimensionada para un número de ciclos muy importante (> 108 ciclos). El estado de esfuerzo máximo se alcanza para los movimientos pico.
El modo de realización preferido emplea unos
recortes en espiral parabólica (o según uno o varios ejes de círculo
que aproximan un perfil en espiral parabólica).
Los parámetros de diseño son:
- 1.
- El número de ramas (por lo menos 2, preferiblemente 4).
- 2.
- Diámetros interior Di y exterior De.
- 3.
- Grosor del muelle.
- 4.
- Ángulo de inicio \theta del recorte (del lado del diámetro interior) (véase el cuadro de la figura 4). Cuanto más cercano de 90º sea el valor de \theta, más progresiva será la variación de esfuerzo. Cuando \theta está próximo a 0º, o a una variación brusca del esfuerzo en la zona del engarce.
- 5.
- Detención del corte (del lado del diámetro exterior): la detención se realiza progresivamente en una sección de material 56, 66 que se evasa de forma prácticamente triangular, con objeto de evitar las concentraciones locales de esfuerzos en los radios débiles de curvatura. A tal efecto, se pueden adoptar, para las ramas, un perfil terminal lineal 52, 62.
Claims (5)
1. Dispositivo de amortiguación de vibraciones,
que incluye un dispositivo de conversión de energía mecánica en
energía eléctrica montado en una base (2) destinada a ser fijada a
una estructura, incluyendo dicho dispositivo de conversión un motor
electrodinámico con una bobina (20) unida mecánicamente a la base,
caracterizado porque dicho dispositivo de conversión incluye,
además, un circuito magnético (10, 11, 12) suspendido por al menos
un muelle (22), y porque la bobina (20) está acoplada a una carga
eléctrica que presenta una componente resistiva, y presenta un
dispositivo de mando (COM) para variar el valor de dicha componente
resistiva, según por lo menos dos valores.
2. Dispositivo, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el dispositivo de mando (COM) presenta
un primer valor de mando de la componente resistiva, que corresponde
a una primera amortiguación, y un segundo valor de mando
correspondiente a una segunda amortiguación más importante.
3. Dispositivo, según la reivindicación 2,
caracterizado porque, para el primer valor de mando, la
bobina (20) está en circuito abierto.
4. Dispositivo, según una de las reivindicaciones
2 o 3, caracterizado porque, para el segundo valor de mando,
la bobina (29) está en cortocircuito.
5. Utilización de un dispositivo de
amortiguación, según una de las reivindicaciones anteriores, en una
aeronave, especialmente un helicóptero, caracterizada porque
se emplea, por medio de un calculador de vuelo, un mando del
dispositivo de mando según el primer valor de mando, cuando la
aeronave está en vuelo estático y, según el segundo valor de mando,
cuando la aeronave está en estado de cambio de rumbo.
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