JP2004521290A - 制振装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動ダンパ装置に関する。
【0002】
所定の構造体における振動の増加を妨げるために、ダイナミックビーターが、業界において使用される。
【0003】
それらは、マススプリングシステムに本質的に基づく。
【0004】
いくつかの適用において、また特に航空機において、さらにヘリコプターについて特に、このようなビーターの性能を種々の飛行形態に応じて適用可能であることが望ましく、これは、ビーターの特性が圧力、温度及び/または湿度の状態にできるだけ影響されないように制御することによって行われる。
【0005】
第1の態様において、本発明は、減衰を変化させるために使用される電気力学式モータを組み込むという案を基礎として、この問題を解決しようとするものである。
【0006】
従って、本発明は、減衰される構造体への取り付け用のベースプレートに装着され機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換装置を備えた制振用ダンパ装置を提供し、該装置は、前記変換装置が、ベースプレートに機械的に連結されるコイルと、少なくとも1つのスプリングにより支持される磁気回路とを有した電気力学式モータを備えること、コイルが、抵抗素子を提供する電気負荷に結合されること、及び、前記抵抗素子の抵抗を少なくとも2つの値により変化させる制御装置を提供することを特徴とする。
【0007】
第1の制御値は、(例えばコイルを開回路にしたままにして)第1の減衰量と対応させることもできるし、また、第2の制御値は、(例えばコイルを短絡させて)より多い減衰量に対応させることもできる。
【0008】
本発明によって、航空機、特にヘリコプターにおいてダンパ装置を使用することもでき、航空機が定常飛行中の場合には第1の制御値を、航空機が飛行方向変更状態にある場合には第2の制御値を、制御装置がとるようにする飛行用コンピュータを利用することを特徴とする。
【0009】
ダイナミックビーターの使用はまた、システムの対称軸線に対応する方向における作動という問題を引き起こす。
【0010】
従って、提起された問題には、振動、干渉、摩擦、またはコイルの破損のような欠点を避けるためにのみこの主な方向に沿って動くことを保証する必要がある。
【0011】
第2の態様において、本発明は、1つまたはそれ以上の適切なセンタリングスプリングを組み込むという案を基礎として、この問題を解決しようとするものである。
【0012】
第2の態様において、本発明は、振動を減衰するダンパ装置を提供し、該装置は、構造体への取り付け用ベースプレートに装着されたエネルギー変換装置を備え、該エネルギー変換装置は、少なくとも1つのスプリングにより支持される可動部を提供し、ダンパ装置は、可動部が、第1の直径を有した内側領域と、第2の直径を有した外側領域との間を延びる少なくとも1つのフラットセンタリングスプリングを提供し、前記センタリングスプリングは、少なくとも2つのカットアウト部を提供し、それぞれは、スプリングの外側に凹側に沿って巻回される少なくとも1つの部分を有した枝状である。
【0013】
少なくとも1つのカットアウト部は、少なくとも部分的に螺旋状であり、例えば、放射線状の螺旋形にすることができる。
【0014】
少なくとも1つのカットアウト部は、真っ直ぐな外側部分を提供するようにできる。
【0015】
各カットアウト部は、スプリングの周縁を1巻きから1巻き半を巻回すると有利である。
【0016】
3つのカットアウト部を存在させることができ、好適には、4つであり、この場合、各カットアウト部は、好適にはスプリングの周縁を実質的に1巻きして延びる。
【0017】
センタリングスプリングが、フラットスプリングを重ねて構成され、特に積層構造体を形成すると特に有利である。得られる軸方向の剛性及び最大応力は、積み重ねられた層の数が多くなると低減し、従って、特にセンタリングスプリングの軸方向の剛性と径方向の剛性との比率を適合させることができる。さらに、得られる最大応力は、各層の厚さが増すと低減する。
【0018】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、非限定的例により行われる、以下の説明を読めばより明らかとなる。
【0019】
図1に示したビーターには、減衰される構造体に固定するための平坦なプレート2を含んだベースプレート1が示される。コイル20が、ベースプレート1に固定される。この目的のために、ロッド23が、反対の端に2つのフランジ3及び24を有し、フランジの一方3はベースプレート1に固定され、他方のフランジ24はコイル20を支持する。頂部磁極片11、底部磁極片12、及び磁石10を備える可動部は、スプリング22上に装着されるとともに、ハウジングまたは「サラダボール」40上に装着された頂部スプリング31及び底部スプリング32を含む2つのセンタリングスプリングにより中央に配置される。
【0020】
磁極片11に装着された平坦なリング25により支持される波形の織物26によってコイル20において密閉されることが分かる。
【0021】
組み立てによって、電気力学式モータは、コイルがベースプレート1に対して静止するとともに可動部が本質的に磁気回路、すなわち磁極片11及び12と磁石10とにより構成された主要部Mb(mass Mb)となる。
【0022】
制御回路が、コイル20の端子に接続された抵抗型負荷の値を変化させるように機能する。それは、電圧により抵抗が変わるバリアブルレジスター、例えばバリスタにより構成するか、または、制御装置により制御される加減抵抗器にすることができる。これによって、2つの極値間において、すなわち、コイル20を開回路にしたままにすることによる非常に低いレベルの減衰と、コイル20を短絡させて、よって負荷抵抗がコイル20の抵抗素子の固有の抵抗値R0と同じになる、最大減衰との間において、減衰を変化させることができる。
【0023】
比較的低い第1のレベルの減衰に対して大きい抵抗R1の負荷、及び、より高い減衰レベルに対して小さい抵抗R2の負荷を選択可能である。
【0024】
比較的低いかまたは最小の減衰は、特に、定常飛行中の航空機に適切であって、その場合、振動は定常状態にあるので、よって、ビーターは最大限有効となり、一方、高レベルの減衰は、ビーターを不安定化しかつ/または機内における振動レベルを増す可能性のある過渡現象の発生を防止するために、飛行方向の変更時に選択可能である。
【0025】
ビーターが作動している間、主要部Mbの磁気回路とベースプレート1との間に相対的な動きが生じる。そこで、コイル20は、電磁力Eb=BL.vのジェネレータとして機能し、ここで、BLは、電気力学式モータの力係数(Newton per amp (N/A))を示し、vは、主要部Mbの磁気回路とベースプレート1との間の相対速度を示す。
【0026】
インピーダンスZbのコイル20は、Zcの参照符号を付けた負荷に接続される。力Faが、(レンツの法則が適用されて)速度vに抗してコイルと主要部Mbの回路との間において確定され、以下の式から得られる。
【0027】
【式1】
【0028】
これは、減衰力についての式を構成する。
【0029】
負荷が(抵抗を調節可能な)加減抵抗器により構成されると想定した場合、減衰係数Cb(Cb=Fa/v)は、2つの極値間において変化させることができる。
【0030】
最大のCbを得るには、
比率(BL)2/Zbを最大にできる特性の電気力学式モータを選択する必要があり、かつ、
Zcを最小(完全短絡となるZc=0)としなければならない。
【0031】
最小のCbを得るためには、
電気回路を開く(Zc=∞)だけで十分である。
【0032】
ビーターが調節される周波数は、可動主要部と、前記主要部をベースプレートに連結する剛性のひずみとにより決まる。
1)センタリングスプリング31及び32の総剛性:Ks
2)戻りスプリング22の総剛性:Kr
【0033】
これは、
【式2】
の関係にある。
【0034】
戻りスプリングとセンタリングスプリング31及び32との間に剛性を割り当てるためには、以下の束縛条件を考慮する。
1)主要部Mbが重力のみを受けている場合にセンタリングスプリング31及び32に圧力をかけないこと。
2)Ks+Krの和が、式2を満たすように調節すること。
【0035】
第1の束縛条件とは、可動の主要部Mbの静止重量が、スプリング22により支持されなければならないということである。従って、その非荷重長さは、この静荷重を考慮して決定され、該静荷重は、力学的動きに加えて存在する。剛性Krが低くなるにつれ、非荷重長さを長くする必要がある。よって、Krは、(全体の大きさ、スプリングボトミング、巻き同士の接触を)調整することがそれほど困難でない程度高くなるように選択しなければならない。
【0036】
実施に際して、以下の理由から、Ksが任意の小さい値にならないようにできる。
【0037】
説明するビーターは、システムの対称軸線(図1において装置の中央を貫通する垂直軸線Z)に沿った単一の方向に作動する。
【0038】
この軸線に沿った、磁気回路Mbとベースプレート1との間における相対的動きによるコイル20の機械的損傷の回避を保証することが適切である。
【0039】
よって、以下は、推測上除外される。
【0040】
径方向の(Z方向に垂直なX及びY方向への)移動、及び
軸線X及びYの周りにおける回転。
【0041】
この機能を保証するために、主要部Mbは、主要部Mbの回路の各側に配置された2つのスプリング31及び32によって案内される。それらの中央部は、次にベースプレート1に固定されるピン23に固定され、周縁部は、主要部Mbの回路に固定される。
【0042】
代替利用可能な他の案内用技術に言及する。
1)ボールブッシュ
この解決方法は、より高価であり、調整用のシャフトを要する。さらに、駆動摩擦特性が、非線形であり(接触領域の摩耗のために)時間が経つと変化するので、そのライフサイクル中におけるビーターの動作が変化してしまう。主要部Mbが軸線Zの周りを回転しないようにするシステムの追加が必要となる。
2)ポリマーベアリング
この解決方法もまた、調整用のシャフトが必要である。さらに、駆動摩擦特性が、非線形であり(接触領域の摩耗によって)時間が経つと変化するので、ライフサイクル中におけるビーターの動作が変化してしまう。主要部Mbが軸線Zの周りを回転しないようにするシステムの追加が必要となる。
【0043】
図3は、4つのブランチを形成する4つのカットアウト50(またはスルースロット)を提供する、金属製のセンタリングスプリング31、32を示し、4つのカットアウト50は、開口部55の周縁周りにおいて規則的に90°の間隔をおいて配置され、直径Diの中央開口部55に接近した各内側端部53から直径Deの輪郭57に接近した各外側端部54へ延びる。これらのカットアウト50は、丸い輪郭でスプリングの外側に向かって凸状であり、特に、螺旋状、好ましくは放物状の螺旋形である。
【0044】
それらの端部54に向かって、カットアウトが、以下に説明するように、応力の集中を避けるように機能する各直線状部分52を提供することが非常に好ましい。示した例では、ブランチ50は、端部53と端部54との間においてスプリングの周縁の周りで一巻き分をやや超える。
【0045】
図4は、3つのブランチの実施形態を示し、該実施形態において、内側端部63が、直径Diの中央開口部の周縁の周りに120°で配置されるとともに、直径Deの輪郭67に接近した外側端部64へ延びる。前述の場合におけるように、それらは、螺旋状の輪郭であると有利であり、放物線状の螺旋形であることが好ましい。それらは、スプリングの一巻きを若干超えて延びる。それぞれが応力の集中を避けるために直線状の端部62を有すると有利である。
【0046】
端部53、54は開口部55と輪郭57とから、端部63、64は開口部65と輪郭67とからそれぞれ、スプリングが前記端部に応力を集中させずに適切に取り付けられ得ることを保証するように間隔をおいて配置される。
【0047】
スプリング31、32を、多層スプリング状に、例えば積層構造体状に、すなわち例えば接着剤により相互に固定された、別個のスプリングを積み重ねたものにすると特に有利である。これによって、層の数が増すと減少する軸方向の剛性を変更することができ、また、達成される最大応力を変更することができる。
【0048】
これによって、特に、径方向の剛性に対する軸方向の剛性の割合を調節可能である。
【0049】
センタリングスプリング31及び32によって以下の利点が得られる。
1)可動部分同士の接触がなくなって、非線形とならず、寄生摩擦(parasitic friction)がなくなる。
2)製造が容易になる。
【0050】
センタリングスプリング31及び32は、いくつかの束縛条件に従うように形成されると有利である。
1)(軸線Zに沿った)軸方向剛性
それが、最大値Kz=Mb(2πFb)2を超えないようにしなければならない。
2)種々の径方向における(X、Y平面の)径方向剛性
それを、コイルが損傷する結果となりかねないスプリングの座屈によりコイルと磁気回路とが径方向に相対的に移動することになる径方向の力がビーターに掛かることを妨げる程度十分に大きくしなければならない。この特性はまた、Z軸線に沿った可動主要部の位置に拘わらず維持しなければならない。従って、可動主要部の最大偏倚運動時に座屈が起こる可能性のあるスプリング設計は避ける必要がある。外側に凸状になったブランチを形成するカットアウトを有したセンタリングスプリングを用いることによって、座屈を回避可能である。
3)スプリングの径方向移動の割合は、できるだけ小さくすべきである。
4)スプリング材料における最大応力は、その部分が(108サイクルを超える)非常に多数のサイクルを実行可能であるようにすべきである。最大移動のために最大応力の状態にする。
【0051】
好適な実施形態では、カットアウトを放物線状の螺旋形(または、放物線状の螺旋の輪郭に近い1つまたはそれ以上の円弧形)にする。
【0052】
設計のパラメータは以下の通りである。
1)ブランチの数(少なくとも2つ、好ましくは4つ)
2)内径Di及び外径De
3)スプリングの剛性
4)(図4に詳細を示した、内径端における)カットアウトの開始角度θ。θが90°に近づくにつれて、応力が次第に増していく。θがゼロに近づくと、応力は、端部領域において急激にゼロになる。
5)カットアウトが(外側端で)終わること。
【0053】
実際に三角形状に広がる材料56、66の一部分上において次第に終わるので、小さい曲率半径において局所的に応力が集中することを避けられる。この目的のために、ブランチを直線状の終端形状52、62とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明に係る装置の図式的な断面図である。
【図2a】
本発明の好適な実施形態を構成する装置の斜視図である。
【図2b】
本発明の好適な実施形態を構成する装置の断面図である。
【図3】
3つの枝型センタリングスプリングまたは「スパイダー」の実施形態を示す図である。
【図4】
4つの枝型センタリングスプリングまたは「スパイダー」の実施形態を示す図である。
Claims (5)
- 制振用ダンパ装置であって、
構造体への取付用のベースプレートに装着され機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換装置を備え、
前記変換装置は、前記ベースプレートに機械的に連結されたコイル(20)を有する電気力学式モータと、少なくとも1つのスプリング(22)により支持された磁気回路(10、11、12)とを備えること、
前記コイル(20)は、抵抗素子を提供する電気負荷に結合されること、及び
前記抵抗素子の抵抗を少なくとも2つの値により変化させる制御装置(COM)を提供することを特徴とする制振用ダンパ装置。 - 前記制御装置(COM)が、第1のレベルの減衰に対応する、前記抵抗素子用の第1の制御値と、より高い第2のレベルの減衰に対応する第2の制御値とを有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第1の制御値のために、前記コイル(20)を開回路にすることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記第2の制御値のために、前記コイル(20)を短絡させることを特徴とする請求項2または3に記載の装置。
- 航空機、特にヘリコプターにおけるダンパ装置の使用方法であって、
前記制御装置が、航空機が定常飛行中の場合には第1の制御値を、航空機が飛行方向を変更中の場合には前記第2の制御値を取るようにする飛行用コンピュータを用いることを特徴とする請求項1から4の任意の請求項に記載のダンパ装置の使用方法。
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