ES2267648T3 - Amortizador ajustable para reducir vibraciones de torsion. - Google Patents

Abstract

Amortizador ajustable con base en capas elastoméricas, adecuado para eliminar o reducir vibraciones de torsión de un eje que gira, compuesto fundamentalmente de (a) un disco superior (2) según se mira en la dirección de observación del eje o árbol y un disco inferior (3), que sirven de soportes para una masa de amortizador, a la que están unidos por medio de capas elastoméricas y presentan en cada caso una escotadura interior, con sección transversal simétrica en rotación, la cual puede alojar de forma ajustada el eje o árbol (10), igualmente con sección transversal simétrica en rotación en la misma forma y unido fijamente a los discos, (b) de un disco (1) exterior compuesto de una o varias partes que sirve de masa de amortizador, con una escotadura interior no circular conformada de forma correspondiente a los discos (2), (3), la cual puede alojar éste de forma ajustada, (c) capas elastoméricas (4, 5) que están aplicadas a los contornos o superficies limitadoras exteriores o interiores delos citados discos y unen éstos entre sí, y (d) dispositivos tensores (6) que pueden comprimir y con ello rigidizar las capas elastoméricas, caracterizado porque al menos uno de los dos discos (2), (3), según se mira en la dirección de observación, presenta un contorno exterior con sección transversal no circular y posee una forma cónica con un ángulo cónico de entre 3º y 45º, medido con relación al eje (10).

Description

Amortizador ajustable para reducir vibraciones de torsión.

La invención se refiere a un novedoso amortizador de vibraciones de torsión que presenta capas elastoméricas, cuya frecuencia natural de torsión puede ajustarse sin mayor complejidad mediante el pretensado de la capa elastomérica para diferentes frecuencias de excitación. Mediante capas elastoméricas pretensadas de forma diferente se consiguen variaciones en la rigidez. De este modo pueden reducirse o incluso eliminarse de forma óptima las vibraciones de torsión que se producen en un sistema. Los nuevos amortizadores de torsión destacan por una disposición de las capas elastoméricas que difiere de la forma circular, con lo que puede conseguirse una proporción de deformación por presión, producida mediante compresión y que puede regularse sorpresivamente bien con relación a la frecuencia de amortiguación necesaria.

Los amortizadores de vibraciones de torsión se usan actualmente en muchos campos de la técnica y se describen ampliamente en la bibliografía. Con frecuencia se producen vibraciones correspondientes en el caso de ejes y árboles que rotan rápidamente en motores y engranajes y pueden, si no se actúa en contra de la fuerza que las provoca. Según el estado de la técnica se estructura y construye un amortizador de vibraciones de torsión para una determinada frecuencia de amortizador, que a su vez viene dada por las características de vibración de torsión del sistema a amortiguar. El amortizador de vibraciones de torsión no ajustable del estado de la técnica sólo puede utilizarse después para la frecuencia elegida previamente, o por el contrario se requiere una complejidad considerable para transformar el amortizador de vibraciones de torsión no ajustable en sí mismo, de tal modo que pueda usarse también para amortiguar otras frecuencias.

De la patente US 4,023,438 se conoce un amortizador ajustable con base en capas elastoméricas, que es adecuado para eliminar o reducir vibraciones de torsión. El amortizador comprende elementos en forma de disco, que están dispuestos cónicamente entre sí y que soportan la masa de amortizador conformada igualmente como disco. Los elementos comprenden el eje o árbol, cuyas vibraciones de torsión deben reducirse. Las superficies cónicas de los elementos de disco presentan asimismo estructuras onduladas, siendo agudo el ángulo cónico que adoptan los discos con relación al eje. Este principio constructivo hace posible crear las tensiones de presión y empuje necesarias para amortiguar las vibraciones, pero tiene el inconveniente de que para conseguir una pretensión útil, que actúe en especial en dirección radial, tiene que ejercer fuerzas relativamente elevadas sobre los elementos de tensión.

De este modo existía la tarea de poner a disposición un amortizador de vibraciones de torsión, que no presente los inconvenientes descritos. En especial debe poder ajustarse con relación a un margen de frecuencias determinado de forma individual, sencilla y exacta, para de este modo poder eliminar o al menos reducir mucho las vibraciones de torsión de una máquina especial en condiciones de funcionamiento especiales.

Ahora se ha descubierto que los amortizadores de vibraciones de rotación son especialmente adecuados para amortiguar vibraciones de torsión de ejes o árboles, que se componen en principio de una parte portante y una masa volante o de amortizador y están unidos entre sí mediante capas elastoméricas, en donde las superficies de unión presentan un contorno cuya sección transversal difiere de la forma circular y las capas elastoméricas se rigidizan individualmente mediante dispositivos tensores y pueden ajustarse al sistema a amortiguar. De forma sorpresiva se ha descubierto que, al apartarse de la forma circular, aparte de la deformación por empuje a esperar de la capa elastomérica pretensada puede generarse una considerable contribución en deformación por presión, que hace posible en primer ajustar individual y exactamente la rigidez torsional de la capa elastomérica por medio de dispositivos de pretensión sencillos, en un margen de frecuencias a amortiguar grande. Según el grosor y la superficie de la capa elastomérica, con el amortizador conforme a la invención pueden amortiguarse especialmente bien vibraciones de torsión en un margen de entre 1 y 1.000 Hz, con preferencia entre 200 y 500 Hz, en especial entre 320 y 450 Hz. Sin embargo, con el amortizador conforme a la invención puede responderse a vibraciones superiores a 200 Hz.

El uso del amortizador de vibraciones de torsión ajustable conforme a la invención es especialmente ventajoso en el caso de máquinas similares, pero que sin embargo presentan diferentes frecuencias perturbadoras dentro de un determinado marco. De este modo puede adaptarse el amortizador de vibraciones de torsión conforme a la invención a las diferentes circunstancias de las diferentes máquinas. También es posible, en el caso de la misma máquina cuyas características de vibración se han modificado a causa de apariciones de desgaste u otras condiciones de funcionamiento, volver a establecer una amortiguación óptima con relación a la vibración de torsión excitadora mediante un ajuste posterior, que puede llevarse a cabo fácilmente, de la rigidez del amortizador. Otra ventaja del amortizador de vibraciones de torsión ajustable es el uso en máquinas cuyas frecuencias perturbadoras en fase de desarrollo todavía no se han podido determinar. Aparte de esto el amortizador de vibraciones de torsión ajustable puede adaptarse rápidamente a máquinas ya montadas y en situación operativa con frecuencias perturbadoras, en las que las citadas frecuencias perturbadoras no se conocían de antemano o no pudieron determinarse, con lo que pueden eliminarse rápida y económicamente problemas de vibración a posteriori sin que aparezcan antes daños graves.

De este modo el objeto de la invención es un amortizador ajustable con base en capas elastoméricas, adecuado para eliminar o reducir vibraciones de torsión de un eje que gira, compuesto fundamentalmente de (a) un disco superior (2) según se mira en la dirección de observación del eje o árbol y un disco inferior (3), que sirven de soportes para una masa de amortizador, a la que están unidos por medio de capas elastoméricas y presentan en cada caso una escotadura interior, con sección transversal simétrica en rotación, la cual puede alojar de forma ajustada el eje o árbol (10), igualmente con sección transversal simétrica en rotación en la misma forma y unido fijamente a los discos, (b) de un disco (1) exterior compuesto de una o varias partes que sirve de masa de amortizador, con una escotadura interior no circular conformada de forma correspondiente a los discos (2), (3), la cual puede alojar éste de forma ajustada, (c) capas elastoméricas (4, 5) que están aplicadas a los contornos o superficies limitadoras exteriores o interiores de los citados discos y unen éstos entre sí, y (d) dispositivos tensores (6) que pueden comprimir y con ello rigidizar las capas elastoméricas, en donde al menos uno de los dos discos (2), (3), según se mira en la dirección de observación, presenta un contorno exterior con sección transversal no circular y posee una forma cónica con un ángulo cónico de entre 3º y 45º, medido con relación al eje (10).

El disco soporte de amortizador (2, 3 conforme a las figuras 1 y 2) o al menos una de sus partes, que está fijada al eje de máquina o árbol engranaje a amortiguar y es arrastrada en giro de forma correspondiente y de este modo absorbe vibraciones de torsión, posee conforme a la invención un contorno o superficie limitadora exterior que se aparta de la forma circular. Un contorno no circular de este tipo puede ser un contorno elipsoidal, una estructura cuadrática o rectangular con esquinas con preferencia fuertemente redondeadas, o también un contorno curvado conformado irregularmente. Los amortizadores conforme a la invención tienen con preferencia un contorno o una superficie limitadora elíptico (a).

El eje o árbol (10) tiene con preferencia una sección transversal redonda. De este modo también la escotadura interior o la superficie limitadora del disco de amortizador (2, 3) ó (11) tiene una sección transversal circular. Sin embargo, en principio también son posibles otros ejes o árboles con simetría de rotación y por tanto también escotaduras de disco.

La invención comprende de este modo un amortizador correspondiente, en el que el contorno exterior no circular de los discos (2), (3) es una elipse, una estructura cuadrática o rectangular con esquinas fuertemente redondeadas, o un contorno curvado conformado irregularmente.

La invención comprende con preferencia un amortizador correspondiente, en el que la escotadura con simetría de rotación de los discos (2), (3) o bien el eje o árbol (10) de igual forma con simetría de rotación tiene una sección transversal circular.

En una forma de ejecución preferida, el disco soporte de amortizador interior se compone de dos partes o discos (2, 3) que, según se mira con relación al eje (10), están dispuestos uno encima o debajo del otro y pueden arriostrarse axialmente uno con respecto al otro mediante un dispositivo tensor (6), bajo la acción de las capas elastoméricas (figura 1). Aquí el disco (2) está unido fijamente con preferencia al eje/árbol (10). Los discos pueden tener un grosor diferente y estar compuestos de diferentes materiales, como por ejemplo material sintético, fibra de carbono, metal o aleación de metal, como aluminio, acero, hierro. Conforme a la invención al menos uno de los discos (2) y (3) tiene un contorno o una forma que difiere de la forma circular, con preferencia se trata del disco superior (2). Sin embargo, con preferencia los dos discos (2) y (3) presentan una forma correspondiente (figura 1).

Aparte del contorno o de la forma que difiere de la forma circular, al menos uno de los discos de la citada forma de ejecución, con preferencia de nuevo el disco superior (2), tiene una forma cónica orientada con relación al eje (10). En una variante preferida ambos discos tienen forma cónica con ángulo cónico igual pero abierto en contraposición, con lo que en último término se produce una forma en V de las superficies limitadoras exteriores de los discos soporte de amortizador (2), (3), que puede verse en la vista lateral. La forma en V o el ángulo que la forma puede estar con ello orientada en la dirección del eje o hacia fuera del mismo. El ángulo cónico es en esta forma de ejecución de entre 3º y 45º, con preferencia entre 3º y 25º, pero en especial entre 5º y 15º. En general los ángulos cónicos de los discos (2) y (3) también pueden ser diferentes. Los discos (2, 3) representan por tanto en esta forma de ejecución segmentos cónicos, que poseen una superficie básica cónica común.

La invención comprende de este modo un amortizador ajustable, en el que el disco soporte está compuesto de una pareja interior de discos, la cual se compone de un disco inferior (3) y uno superior (2) según se mira en la dirección de observación del aje o árbol (10), y los citados discos (2, 3) pueden arriostrarse uno con respecto al otro por medio de los medios tensores (6), con la rigidización de las capas elastoméricas (4), (5), en donde al menos un disco presenta un contorno exterior no circular y está conformado cónicamente con relación al eje o árbol (10).

En otra forma de ejecución preferida los dispositivos tensores (6) están dispuestos por tanto axialmente, y los dos discos (2), (3) presentan un contorno exterior no circular y están conformados en cada caso cónicamente, de tal manera que forman una forma en V con un ángulo cónico de 3º-45º medido con relación al eje (10).

La invención comprende un amortizador correspondiente, cuyo ángulo cónico de los citados discos (2, 3) presenta con preferencia entre 3º y 45º, con preferencia entre 3º y 25º, en especial entre 5º y 20º.

En otra forma de ejecución simplificada (figuras 2, 3), por ejemplo sólo el disco superior (2) de la pareja de discos (2, 3) posee una forma cónica y un contorno que difiere de la forma circular, con preferencia elíptico, como se ha descrito anteriormente, mientras que por el contrario el disco inferior (3) no posee ninguna de las dos conformaciones correspondientes, sino que representa únicamente un disco cilíndrico sencillo, que está encajado encima del eje (10). Posee, en el lado vuelto hacia el disco cónico (2), una capa elastomérica que está en contacto con la masa de amortizador (1). Esta capa elastomérica sufre en el caso de tensión previa, ya que ahora no presenta una inclinación de 3º-45º con respecto al eje (10) sino que forma 90º con el mismo, al contrario que en la forma de ejecución antes descrita, casi exclusivamente deformación por empuje y casi ninguna deformación por presión y, de este modo, no contribuye esencialmente a la compensación de vibraciones de torsión.

A causa de su sencilla estructura, este amortizador puede producirse sin embargo más económicamente y es adecuado para sistemas con menores problemas torsionales de vibraciones.

La invención comprende de este modo un amortizador que está estructurado de tal modo, que sólo uno de los discos (2, 3) presenta un contorno exterior no circular y está conformado cónicamente con relación al eje o árbol (10), en donde el ángulo cónico es de entre 3º y 45º, con preferencia de entre 3º y 25º, y el otro disco (3, 2) tiene una forma puramente cilíndrica y presenta una capa elastomérica, cuya superficie está dispuesta de este modo perpendicularmente al eje (10) conforme a las figuras 2, 3.

Como ya se ha citado varias veces, la pareja interior de discos (2, 3) debe fijarse al eje o árbol (10). Con preferencia se trata del disco superior (2), pudiendo materializarse la fijación por medio de los medios usuales conocidos en el estado de la técnica. Para esto se utilizan con preferencia atornillamientos (figuras 1, 2), pero también son apropiados remaches, grapas, etc. Sin embargo, también puede prescindirse de tales medios de fijación, si la pareja de discos o una de sus partes (2), (3) puede inmovilizarse sobre el árbol mediante el arriostramiento mutuo. Esto puede hacerse posible conforme a la invención mediante una rendija de apriete (8) (figura 3), por ejemplo en el disco superior (2).

La invención comprende por lo tanto también un amortizador correspondiente, que presenta medios de fijación (7) o una o varias rendijas de apriete (8) con auto-arriostramiento, que producen la unión fija del disco (2, 3) al eje o árbol (10) a amortiguar.

A continuación se describe la invención con más detalle:

Explicaciones de las figuras:

figura 1: amortizador de vibraciones de torsión con elipses en forma de doble cono,

figura 2: amortizador de vibraciones de torsión con elipse en forma de cono sencillo,

figura 3: amortizador de vibraciones de torsión con elipse en forma de cono sencillo y unión de apriete al árbol.

Explicaciones de los valores de referencia:

Pos1	Anillo volante
Pos2	Anillo de apriete
Pos3	Anillo de contra-apriete
Pos4	Capa elastomérica anillo de apriete
Pos5	Capa elastomérica anillo de contra-apriete
Pos6	Atornillamiento de apriete
Pos7	Atornillamiento de fijación
Pos8	Rendija de apriete para arriostramiento de árbol
Pos9	Ángulo cónico
Pos10	Cuerpo de rotación a estabilizar (árbol)

Las capas elastoméricas (4, 5, 16) del amortizador conforme a la invención se componen fundamentalmente de un caucho natural, un derivado de caucho natural o de un material sintético polimérico elástico adecuado o mezcla de material sintético. La capa elastomérica puede presentar conforme a la invención diferente dureza ("dureza shore") y diferentes características de amortiguación, de forma correspondiente a los requisitos deseados. Se utilizan con preferencia elastómeros con una dureza de entre 20 y 100 shore, en especial entre 30 y 80 shore. La fabricación de tales elastómeros de diferente dureza se conoce en el estado de la técnica y se describe suficientemente en la bibliografía pertinente. Se usan con preferencia cauchos naturales o materiales sintéticos comerciales. Ejemplos de de elastómeros adecuados son: caucho natural, cauchos o materiales sintéticos de isopreno, butadieno, polinorboneno, cloropreno, estirolbutadieno, butilo, etilenopropileno, nitrilo, poliuretano, acrilato, etilenoacrilato, silicona o fluoro.

La capa elastomérica situada entre el soporte de amortizador y la masa de amortizador puede estar también compuesta de varias capas que, dado el caso, se separan entre sí mediante otros materiales más duros, como placas o capas de material sintético y se refuerzan mediante los mismos. De este modo puede influirse más en la rigidez y ajustarse a las características del sistema especial.

Las capas elastoméricas se unen a los discos citados o a las capas intermedias antes citadas por medio de medidas y medios conocidos en sí mismos en el estado de la técnica. Normalmente esto se produce de forma ventajosa mediante vulcanización. Sin embargo, también puede llevarse a cabo conforme a la invención pegado, afianzamiento, atornillamiento, etc.

Dos elipses que encajan una en otra con capa elastomérica intercalada representan una unidad rígida a la torsión. La rigidez depende de la anchura de las piezas constructivas elípticas, la distancia de los dos focos virtuales de elipse y del diámetro de las elipses, así como del grosor y de la rigidez (dureza shore) de la capa de goma intercalada.

El grosor de la capa de goma intercalada puede ajustarse como sigue:

Las piezas constructivas elípticas presentan al mismo tiempo una forma cónica (ángulo cónico (9) de 3º a 15º, con preferencia de 8º a 12º). La rigidez a la torsión de las dos elipses que encajan una dentro de la otra (anillo de apriete (1) y anillo volante (2)) con capa elastomérica intercalada depende mucho del grosor de la capa elastomérica y de su precompresión.

Mediante la contracción de los conos con los tornillos (6) se hace más estrecha la distancia y con ello la capa elastomérica (4), (5) y se precomprime más intensamente. De este modo puede ajustarse la rigidez dentro de un amplio margen. Con ello puede regularse también la frecuencia de amortizador dependiente de la rigidez. La rigidez puede preajustarse también mediante diferentes grosores de capa.

La forma puede ser elíptica, como se ha representado en las figuras 1-3, o también puede tener sobre el perímetro varios engrosamientos similares a abombamientos de elipse, que aumentan esencialmente la rigidez. Asimismo son posibles dos círculos concéntricos como en las figuras 4 y 5. El amortizador de vibraciones de torsión puede fijarse según el estado de técnica axialmente o radialmente con elementos tensores al árbol.

El amortizador de vibraciones de torsión puede estar ejecutado también, como se ha dibujado en la figura 3, en sí mismo como elemento tensor.

Formas de ejecución Elipses de doble cono conforme a la figura 1

Se arriostran dos elipses una con respecto a la otra. Cojinete de elastómero de elipse Pos.4 y contra-cojinete de elastómero de elipse Pos.5, simétricamente a la Pos.4. Esta forma de ejecución tiene una complejidad de fabricación relativamente elevado con respecto a los siguientes ejemplos.

Elipses de un solo cono con contracojinete conforme a la figura 2

En contra el cojinete elíptico se tensa un cojinete de elastómero Pos.5. La complejidad de fabricación es menor que en la Pos.1. Al mismo tiempo la única capa elastomérica más ancha aporta mayor rigidez al empuje que las dos capas cónicas más estrechas juntas. El cojinete de elastómero plano Pos.5 sólo contribuye, sin embargo, de forma no importante a la deseada rigidez a la torsión.

Unión de apriete entre elipses de un solo cono y de doble cono a árboles

Este amortizador de vibraciones de torsión se fija al mismo tiempo mediante la pretensión axial -necesaria para el funcionamiento del amortizador de vibraciones de torsión- sobre el árbol. Esto se realiza mediante hendidura encima del anillo de apriete Pos.2 mediante rendija de apriete para el arriostramiento de árbol Pos.8.

La rigidez del amortizador de vibraciones de torsión conforme a la invención depende de los siguientes parámetros:

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desviación de la forma circular (forma o relación de los dos ejes de elipse)

\bullet

Dureza de la capa elastomérica (dureza shore)

\bullet

Profundidad de la capa elastomérica (anchura del amortizador de vibraciones de torsión o de la capa elastomérica instalada)

\bullet

Diámetro del amortizador de vibraciones de torsión

\bullet

Grosor de la capa elastomérica

La frecuencia de amortización depende de:

Rigidez de torsión

Masa volante (1)

Puede ajustarse la pretensión y con ello al mismo tiempo el grosor de la capa elastomérica, que se modifica bajo la pretensión. De aquí se obtiene la capacidad de ajuste de la rigidez a la torsión y con ello la frecuencia de torsión del amortizador.

Claims (8)

1. Amortizador ajustable con base en capas elastoméricas, adecuado para eliminar o reducir vibraciones de torsión de un eje que gira, compuesto fundamentalmente de

(a) un disco superior (2) según se mira en la dirección de observación del eje o árbol y un disco inferior (3), que sirven de soportes para una masa de amortizador, a la que están unidos por medio de capas elastoméricas y presentan en cada caso una escotadura interior, con sección transversal simétrica en rotación, la cual puede alojar de forma ajustada el eje o árbol (10), igualmente con sección transversal simétrica en rotación en la misma forma y unido fijamente a los discos,

(b) de un disco (1) exterior compuesto de una o varias partes que sirve de masa de amortizador, con una escotadura interior no circular conformada de forma correspondiente a los discos (2), (3), la cual puede alojar éste de forma ajustada,

(c) capas elastoméricas (4, 5) que están aplicadas a los contornos o superficies limitadoras exteriores o interiores de los citados discos y unen éstos entre sí, y (d) dispositivos tensores (6) que pueden comprimir y con ello rigidizar las capas elastoméricas,

caracterizado porque al menos uno de los dos discos (2), (3), según se mira en la dirección de observación, presenta un contorno exterior con sección transversal no circular y posee una forma cónica con un ángulo cónico de entre 3º y 45º, medido con relación al eje (10).

2. Amortizador ajustable según la reivindicación 1, caracterizado porque el contorno exterior no circular de los discos (2), (3) es una elipse, una estructura cuadrática o rectangular con esquinas fuertemente redondeadas, o un contorno curvado conformado irregularmente.

3. Amortizador ajustable según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la escotadura con simetría de rotación de los discos (2), (3) o el eje o árbol (10) de igual forma con simetría de rotación tiene una sección transversal circular.

4. Amortizador ajustable según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los dispositivos tensores (6) están dispuestos axialmente.

5. Amortizador ajustable según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los dos discos (2), (3) presentan un contorno exterior no circular y están conformados en cada caso cónicamente, de tal manera que forman una forma en V y presentan en cada caso un ángulo cónico de 3º-45º.

6. Amortizador ajustable según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque sólo uno de los discos (2, 3) presenta un contorno exterior no circular y presenta una forma cónica con relación al aje o árbol (10) con un ángulo cónico de entre 3º y 45º, y el otro disco (3, 2) tiene una forma puramente cilíndrica y está vuelto hacia el disco cónico (2, 3) y presenta una capa elastomérica (5), cuya superficie está dispuesta de este modo perpendicularmente al eje (10) y está en contacto con la masa de amortizador (1).

7. Amortizador ajustable según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el ángulo cónico es de 3º-25º.

8. Amortizador ajustable según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque presenta medios de fijación (7) o una o varias rendijas de apriete (8) con auto-arriostramiento, que producen la unión fija del disco (2, 3) al eje o árbol (10) a amortiguar.