ES2578807B1 - Dispositivo de aislamiento de vibraciones semiactivo - Google Patents

Abstract

Dispositivo de aislamiento de vibraciones semiactivo que se basa en la variación de las propiedades mecánicas de un material polimérico esponjoso con propiedades elásticas mediante la compresión mecánica del mismo empleando para ello un actuador semiactivo para modificar el efecto de la amortiguación interna del material. El dispositivo permite realizar un ajuste adecuado del nivel de aislamiento ante distintos grados de vibración.

Description

Dispositivo de

aislamiento de vibraciones semiactivo

Sector de

la técnica

5

Ingeniería mecánica. Fí sica de materiales .

Introducción

10 15 20

En los sistemas mecánicos de todo definición, existen componentes tipo móviles en los que, relacionados por o conectados entre sí, es prácticamente inevitable la aparlción de vibraciones. La vibración no es otra cosa que la variación de la configuración de un sistema alrededor de una posición de equilibrio estable, con respecto al tiempo y generalmente viene determinada por un movimiento oscilatorio de baja amplitud de mayor o menor complejidad . Estas vibraciones son, por lo general, indeseadas y producen alteraciones de mayor o menor importancia en el funcionamiento de la maquinaria, sin bien también afectan a muchos sistemas sensoriales o de percepción de diferentes tipos.

2S 30

Es común que componentes o partes de un sistema mecánico, especialmente sensibles a la acción de las vibraciones , tengan que ser aislados de la fuente de la perturbación para que su func ionamiento no se vea afectado. aislamiento compuesto enteramente Normalmente un sistema de de elementos mecánicos pasivos, típicamente e l ementos puramente elásticos o amortiguadores, es más que suficiente par a aislar la fuente de vibración del elemento a proteger . Esto se debe a que en la mayoría de casos presentes en la industria las características de la vibración producida por un determinado apara to son perfectamente predecibles o acotables , por lo que resulta

sencillo real i zar el diseño de un aislamiento pasivo de gran efectividad para hacer frente a esa perturbación en concreto.

Sin embargo cada vez es más frecuente encontrar casos en los que acotar o predecir las características de la perturbación en forma de vibración es muy difícil o incluso imposible . La vibración transmitida desde la carretera a través de la suspensión y estructura de un automóvil a sus ocupantes, o la perturbación producida en el motor y elementos móviles de un vehículo aéreo o las vibraciones derivadas de maquinaria

propia,

y el movimiento de las olas en el caso de un vehículo

marino

que se transmiten a través de su estructura a un

sistema

de visión montado en el propio vehículo son casos

típicos

de presencia de vibraciones de naturaleza variable,

donde

es deseable y necesario lograr mitigar las

perturbaciones. En el primer caso por comodidad de los ocupantes y en el segundo por pura necesidad técnica . Es aquí donde entran en juego 10s sistemas activos de aislamiento de vibraciones, que gracias a elementos electromecánicos son capaces de reali zar un ajuste continuo de sus propiedades elásticas o amortiguadoras para producir el efecto de aislamiento más apropiado a cada situación . Con estos sistemas se consigue un alto grado de aislamiento entre el elemento o sistema perturbador y el elemento o sistema a aislar, pero a costa de un aporte de energía continuo .

Con el fin de aunar las ventajas de los sistemas de aislamiento tanto pasivos como activos surge una tercera familia, que reúnen características propias de las mencionadas anteriormente, se trata de los sistemas de a i slamiento semiactivos . Estos sistemas están compuestos de elementos mecánicos pasi vos cuyas características elásticas o amortiguadoras pueden ser alteradas o modificadas de forma puntual mediante la acción de algún sistema electromecánico

activo . Con esto se consigue una adaptación a la vibración especifica presente en el sistema a la vez que el aporte de energía al mecanismo de aislamiento no se realiza de forma continua, logrando una reducción tanto del consumo como de la

5 dependencia energética (si se produjese un corte en el suministro de energía, un sistema de aislamiento semiactivo se comportaría como un sistema totalmente pasivo) .

Por ej emplo, los equipos de pequeño tamaño que se encuentran a

10 bordo de un barco están sometidos a vibraciones de manera continua . Estas vibraciones pueden provocar errores en los equipos de navegación, grietas en las soldaduras de los chips, desplazamientos indeseados en terminales y conexiones de aparatos electrónicos, produciendo fallos electrónicos

15 difíciles de detectar . De igual forma pueden afectar

negativamente a los sistemas de visión que pudiera t ener el buque O interferir en algunos elementos basados en micrófonos correspondientes a los diferentes equipos de comunicación.

10 Al tratarse de una estructura metálica en el caso más común, las vibraciones generadas por los diferentes agentes, se propagan con facilidad por todo el buque. Tratar estas vibraciones con un aislamiento activo impl iea un gran consumo energético porque se ha de hacer un uso continuado de los 25 mecanismos de actuación ya que las vibraciones afectan durante t oda la travesía (periodos prolongados de tiempo) .

La solución planteada en este documento resulta idónea para resolver este tipo de problemas, donde se tienen vibraciones 30 de gran variabilidad en periodos prolongados de tiempo.

Se

plantea una solución para el aislamiento de vibraciones

para

resolver el problema de la disipación de la energía

transmitida

por una perturbación oscilatoria variable desde

una fuente a un elemento f i nal a a i slar, tratando de reducir

al máximo el consumo y la dependencia energética del propio

dispositivo de aislami ento. Además I por su propia naturaleza I

el disposit i vo supone una solución de bajo coste entre las

5

otras opciones disponibles para resolver el problema del

a i slami ento, siendo esta otra característica diferenciadora a

tener en cuenta. Dicha cualidad hace posible l a inclusi ón de

este dispositivo de aislamiento en sistemas en los que, por

una cuestión de precio, normalmente no resulta l a práctica

10

i nclusi ón de otros sistemas de aislamiento más complejos y

costosos . Por otro lado, es i mportante destacar sus

dimensi ones que lo hacen apto para su apl i caci ón en el

aislamiento de sistemas de pequeñas di mens i ones .

15

Estado de la técnica

Entre las soluciones empleadas para el control de vibraciones

mediante dispositivos semiact i vos se conoce la invención

U5718843982 dirigi da a l a aplicación en calzado deportivo y

20

donde se descri be un sistema de amortiguaci ón adaptable . Se

trata de un sistema que mi de las necesi dades bi omecánicas del

corredor en función del terreno y modifica su nivel de dureza

con el f i n de proporci onar confort .

El disposi t i vo está enfocado a amort1guar los impactos

25

produci dos en cada p i sada (no a amortiguar las vibraciones), y

por tanto tiene un rango de adaptabilidad f i jado para esta

apl i cación . Por otro lado, aunque su func i onamiento se basa en

la compresión del materi al i nsertado en e l talón del calzado ,

es una estruct ura plásti ca y además no accesible.

JO

En el documento de patente ES 2 093 184 se presenta la

creación de un amortiguador semiactivo cont i nuamente variable .

El disposi tivo consta de un resor te y un amortiguador en

paral elo y emparedados por dos e l ementos, donde uno

corresponde al generador de vibraciones y otro al e l emento a aisl ar . La propuesta de invención se basa en e l diseño del amortiguador de tipo pistón y cilindro hidráulico con dos cámaras de vol umen variabl e interconectadas por un circuito de f l ujo que tiene una vál vul a ajustabl e que se regula a través de un sistema de control. Esta invención, aunque también presenta un dispositivo semiactivo que se colocará entre la generación de vibraciones y e l elemento a aisl ar, tiene un diseño compl ejo basado en e l movimiento de f l ujo para modificar su factor de amortiguamiento, mientras que e l que aquí se propone se basa en l a compresión de material foam.

Por otro l ado, en e l documento de patente US571994SA se hace referencia a l a creación de un foam activo absorbedor de ruidos y vibraciones que contiene capas curvadas de un material piezoeléctrico de fluoruro de polivinil ideno (PVDF), un termop l ást i co i ndustri al semicristal ino transformable por

fusión

que tiene una estructura molecul ar y una alta

cristal inidad

que le da una gran rigidez, incl uso a

temperaturas

e l evadas .

Las

capas de PVDF se activan e l éctricamente con señales

variables

en el tiempo y se usa para hacer adapt ar las

propiedades

del foam en términos de absorción de ruidos y

vibraciones . Se trata por l o tanto de una sol ución diferente a l a aquí planteada .

Adicionalmente, los autores Wu Jiejun, Li Chenggong, Wang Dianbin, Gui Manchang (Damping and sound absorption properties of particl e reinforced Al matrix composite foams, Composites Science and Technology, Volume 63, Issues 3-4, February-March 2003, Pages 569 -574, ISSN 0266-3538) estudian l as propiedades

J

de amortiguamiento de foams tipo A356/xSiCp composite demostrando que existe una dependencia significativa entre l a

densidad de los foams y su índice de amortiguamiento. La

modificación de las propiedades amortiguadoras de los foams se

alcanza mediante la fabricación de estos materiales con

distintas densidades, sin embargo, no se exponen antecedentes

5

del comportamiento de los foams una vez se someten a cargas de

compresión.

Finalmente, en EP 2314770 Al se presenta un sistema semi

activo para suprimir las vibraciones en pasarelas peatonales .

JO

Una masa móvil acoplada con una estructura por medio de

resortes y amortiguadores semiactivos se ajustan por medio de

algoritmos de control basándose en la aceleración, velocidad o

desplazamiento de la estructura y de la masa móvil .

Se actúa produciendo movimientos verticales entre la pasarela

15

y la masa, de manera que parte de la energía de la vibración

pasa por el sistema de amortiguamiento absorbiéndol a .

Concretamente el amortiguador está f ormado por flu idos que

modifican su factor de amortiguamiento mediante la aplicación

de un campo magnético o eléctrico . Esta solución está diseñada

20

para amortiguar vibraciones de grandes estructuras y se

consigue acoplando el dispositivo al objeto sometido a

vibraciones. No se puede adaptar para aislar elementos

pequeños.

25

Descripción de la invención

Dispositivo de aislamiento de vibraciones semiactivo que se

basa en la variación de las propiedades mecánicas de un

material polimérico esponjoso, con propiedades elásticas,

JO

mediante la compresión mecánica del mismo empleando para ello

un actuador semiactivo para modi f icar el efecto de la

amortiguación interna del mater..i.al . El dispositivo permite

realizar un a juste adecuado del nivel de aislamiento ante

distintos grados de vibración .

La f igura 1 ilustra los distintos e lementos de los que se

compone el dispositivo y la rel ación que existe entre los

mismos . En primer lugar se t iene el bastidor (1 ) del montaje .

S

Este bast i dor es la parte del dispositivo que va firmemente

anclada al sistema o maquinaria fuente de la vibración y a su

vez, e l resto de e lementos que forman parte del montaje de

aislamiento irán f ijados sobre él . Uno de estos elementos es

un motor eléctrico (2 ) J ubicado en uno de l os extremos del

10

bastidor . Di c ho motor eléctrico est á dotado de una reductora

por tren de engranajes, cuyo eje de salida es perpendicular a l

pl ano del bastidor . En el eje de salida de la reductora hay

insertado un torní 110 de avance (3) Un plato d e compresión

(4) con una tuerca insertada en su part e central convierte el

15

movimiento g iratorio del torni llo de avance en un movimiento

lineal perpendicular al plano del bastidor del montaj e . El

conjunto formado por el motor con reductora , el torni llo de

avance y el plato de compresión con t uerca i nser t ada f orma un

actuador lineal semi -activo . Este movimiento lineal producido

20

por el act uador se aprovecha para consegui r la compresl ón

deseada del material elástico (5) . Este material elástico se

encuentra dividido en dos bloques cilínd r i cos a t ravesados

longit udinal mente por e l torni llo de avance, y emparedados en

su part e superior por el propio bastidor del montaje y en l a

25

parte inferior por el pl ato de compresi ón . Las dos mitades en

que se divide este material elástico emparedan a su vez uno de

los extremos del anclaj e suspendido (6) . Este anclaje t amb ién

es a t ravesado perpendicularmente por el tornillo de avance a

través de un orificio que imp ide el cont acto entre dicho

JO

tornillo y el ancl aje . Por el extremo opuesto al actuador

semiactivo, e l ancl aje suspendido se sujeta al bast idor

mediant e una suspensión fij a pero flexible (7) . Esta

suspensión es totalmente pasiva, es decir sus propiedades no

cambian , y su única función es servir de punto de pivote

flexible del anclaje suspendido alrededor del actuador semiactivo . Finalmente se tiene el elemento a aislar (8) , fijado firmemente al anclaje suspendido. Al ajustar la compresión del material elástico mediante la acción del actuador semiactivo se logra ajustar el nivel de amortiguamiento existente entre el bastidor (entrada de las vibraciones) y el anclaje suspendido (salida del sistema donde va fijado el elemento a proteger) . Para variar la capacidad de amortiguamiento del sistema, se actúa sobre la densidad del material elástico, que puede ser un derivado de foams . Los cambios en el factor de amortiguamiento del material empleado hacen que la vibración transmitida se modifique .

Para tratar distintas vibraciones se utilizan distintos grados de compresión, o lo que es lo mismo, distintos amortiguamientos. La capaCidad de amortiguación de nuestro dispositivo se puede medir como la relación entre la vibración exci tadora y la

sufrida por el cuerpo a aislar, término conocido como

transmisibilidad. Nótese que en la descripción facilitada el elemento a aislar

(8) está suspendido, mediante el dispositivo de aislamiento de vibraciones (1), (2) , (3), (4), (5), (6), (7) , debajo de la fuente de las perturbaciones . Sin embargo son posibles otras configuraciones siempre que el eje de compresión del mecanismo semiactivo esté alineado con la dirección del movimiento oscilat orio . En cuanto a este dispositivo debemos de indicar que con un control adecuado del mismo podemos actuar de forma semiactiva en diferentes contextos donde las vibraciones resultan un elemento indeseable del sistema.

Descripción de las figuras

Figura l . Representación del montaje del dispositivo, donde se ilustra el bastidor del mont aje (1) , un motor eléctrico (2),

un

tornillo de avance (3), un plato de compresión (4) ,

material

elástico (5) I p l ataforma de anclaje (6) • una

suspensión

auxil i a r fi ja pero flex ible (7) I Y e l elemento a

aislar

(8 l.

Figura 2 . Representación de la capacidad de transmisibilidad del dispositivo para distintas frecuencias de la señal exci tadora (Hz) y di stintos grados de compresibil idad (mm).

Modos de realización de la invención

Se plantea un dispositi vo semi-activo donde el material elástico (5) es un foam que puede extraerse y reemplazarse por aquel que r esulte más adecuado para aislar un determinado cuerpo . Se selecciona como el emento elástico un foam (Porofoam Memory), una espuma de copolímero viscoelástico de lenta recuperación con espesor de 3mm , dureza Shor e A 12 Y una densidad de 2S0kg/m3 (Podoser vice 2012) .

Reali zando un montaje como el descrito anteriormente se consigue un sistema de amortiguación de alto rango.

Para mostrar la capacidad aisl ante de nuestro di spositivo, se somete a una vibraci ón de amplitud fija (SOmm/s2) , per o modificando su frecuencia . De maner a que par a cada frecuenc ia excitadora se mide l.J. vibración resultante sobre el cuer po a aislar y se compara con la señal perturbadora. Esta re lación proporciona la transmisibilidad del foam . Este proceso se

repite modificando la densidad del material , es decir e j erciendo presión sobre él.

Los resultados se muestran en la Figura 2 .

5 Para este caso particular, el material sin compri mir tenía una longitud de 50mm y su compresión máxima lleva a que mida 2amm .

Tal y como se observa en la l eyenda de l a Figura 2 se repite 10 l a medición con un paso de 2 mm en la compresión del material.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo de aislamiento de vibraciones semiactivo que comprende un bastidor (1 ) anclado a la fuente de vibración, un motor eléctrico (2 ) provisto de una reductora que se fija al bastidor, un tornillo de avance

   (3) , un plato de compresión (4) y un material con propi edades elásticas (5) situado en el interior del plato de compresión.