JP2010091108A - 同調マスダンパーおよび振動分離装置 - Google Patents

同調マスダンパーおよび振動分離装置 Download PDF

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Dale T Ruebsamen
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ジョセフ・イー・ヴェッセラ
Toren S Davis
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Abstract

【課題】所定の周波数範囲にさらされたときに、第1軸方向サージモードおよび第2軸方向サージモードで振動する構造物とともに用いられる同調マスダンパーを提供すること。
【解決手段】同調マスダンパー300は、ハウジング302、端部キャップ324、2つのマス306、308、および2つのバネ310、312を含む。第1および第2のマス306、308は、ハウジングキャビティ304内に配置される。第1同調マスダンパーバネ310がキャビティ304内に配置され、第1マス306を端部キャップ324を連結する。第2同調マスダンパーバネ312は、キャビティ304内に配置され、第1マス306を第2マス308に連結する。同調マスダンパー300は、第1および第2の軸方向サージモードを減衰させるために、所定の周波数範囲内の第1および第2の共振周波数をそれぞれ備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、概ね、振動分離装置および振動分離装置のための同調マスダンパーに関する。
望遠鏡のような、ペイロードとしてセンサを保持する正確な指示システムは、構造的な振動を生成する乱れを生じさせることがあり、その結果、誤指示を生じさせることがある。このような振動は、正確な指示システム内でのアクチュエータとして用いられる反作用ホイールアセンブリのような機械的な部品またはアセンブリに起因していることがある。多くの部分において、これらのシステムは有意な内在的な減衰器を備えない傾向にあるので、これらの構造的な振動はシステムの性能を低下させ、経時的な構造的な疲労を生じさせることがある。
振動を最小化するために、典型的には、構造物の振動を減衰させ、また、ペイロードを分離するために分離器が用いられる。あるタイプの分離器は、3つのパラメータ振動分離システムとして機能し、また、中空シャフト、ピストン、および主バネを含む。ピストンは、ペイロードから振動を受け取り、振動に応じてシャフトを通ってスライド運動するように構成される。ピストンの中間部から半径方向にフランジが延び、フランジは、第1のシールされるベローズに連結される頂部表面と、第2のシールされるベローズに連結される底部表面とを備える。各ベローズは流体が充填されたチャンバを備える。従って、ピストンがシャフトを通じて軸方向に運動すると、流体はベローズチャンバの一方から他方へ流れる。一般に、シャフトおよびピストンは主バネ内に配置され、主バネは分離器に対する軸方向の剛性を提供する。
システムの動作の間、分離器は主バネを共振させる周波数にさらされ得る。ある場合、共振の程度は、振動を減衰させる分離器の能力を妨害する程度になる。また別の場合、共振は、バネの構造的な完全性を低下させ、バネを時期尚早に衰えさせることがある。共振の程度を減衰させるために、1つまたはそれ以上のエラストマーパッドが主バネに接続または取り付けられることがある。しかし、この構成には欠点がある。たとえば、エラストマーパッドは、ある温度にさらされると予測不可能にクリープすることがあり、またそのため、所望のように共振を減衰できなくなることがある。さらに、エラストマーパッドは、典型的には絶縁材料から形成され、電気的および/または熱的な伝導をブロックし、それにより、電磁干渉を生成し、また過熱の問題を生じさせうる。
従って、振動減衰能力の改善された振動分離装置を提供することが望まれる。さらに、所定の周波数領域にさらされたときに有意に共振しない振動分離装置を提供することが望まれる。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面およびこの本発明の背景を参照するとともに、以下の本発明の詳細な説明、添付の特許請求の範囲を参照することにより明らかになるであろう。
同調マスダンパー(tuned mass damper)および振動分離装置が提供される。
一実施形態において、所定の周波数範囲にさらされたときに第1の軸方向サージモードおよび第2の軸方向サージモードで振動する構造に用いられる、同調マスダンパーが提供される。この同調マスダンパーは、ハウジング、端部キャップ、第1マス、第2マス、第1同調マスダンパーバネ、および第2同調マスダンパーバネを含む。ハウジングは、キャビティを画定し、また端部を含む。端部キャップはハウジングの端部に配置される。第1マスはキャビティ内に配置され、第2マスはキャビティ内に配置される。第1同調マスダンパーバネは、キャビティ内に配置され、第1マスおよび端部キャップに連結される。第2同調マスダンパーバネはキャビティ内に配置され、第1マスおよび第2マスに連結される。同調マスダンパーは、第1の軸方向サージモードを減衰させる所定の周波数範囲内にある第1の共振周波数を備え、同調マスダンパーは、第2の軸方向サージモードを減衰させる所定の周波数範囲内にある第2の共振周波数を備え、第1マスおよび第2マスが第2軸方向サージモードにさらされたときに、第2マスは第1マスが共振するときの振幅よりも大きな振幅で共振する。
一実施形態において、単なる例として、振動分離装置は主バネおよび同調マスダンパーを含む。主バネは、第1周波数にさらされたときに第1軸方向サージモードで振動することができ、また、第2周波数にされされたときに第2軸方向サージモードで振動することができ、また主バネは、第1端部から第2端部に向かって測定した長さを備える。同調マスダンパーは主バネに連結され、また、ハウジング、端部キャップ、第1マス、第2マス、第1同調マスダンパーバネ、および第2同調マスダンパーバネを含む。ハウジングはキャビティを画定し、また端部を含む。端部キャップはハウジングの端部を覆う。第1マスはキャビティ内に配置され、第2マスはキャビティ内に配置される。第1同調マスダンパーバネはキャビティ内に配置され、第1マスおよび端部キャップに連結される。第2同調マスダンパーバネはキャビティ内に配置され、第1マスおよび第2マスに連結される。同調マスダンパーは、第1軸方向サージモードを減衰させるために所定の周波数範囲内の第1共振周波数を備え、同調マスダンパーは、第2の軸方向サージモードを減衰させるために、所定の周波数範囲内の第2の共振周波数を備える。同調マスダンパーは、主バネの軸方向の位置に配置され、主バネの長さの約37.5%のところの第1軸方向位置と、主バネの長さの約62.5%のところの第2軸方向位置との間に配置される。
本発明を以下に添付図面とともに説明する。添付図面において同様の符号は同様の素子を示す。
一実施形態による振動分離装置の側面図である。 一実施形態による図1に示す振動分離装置の断面図である。 図1または図2に示す振動分離装置の一部として組み込まれる同調マスダンパーの断面図である。 他の実施形態による振動分離装置の断面図である。
本発明の以下の詳細な説明は、本来的に単なる例示であり、本発明または本発明の用途および応用を限定することを意図していない。分離器が例示的な実施形態とともに説明されるが、主バネを備える振動分離装置の任意の数多くの実施形態も同様に実行できる。たとえば、本発明は、主バネを含む任意の振動分離装置において実行できることを理解されたい。また、前述の背景または後述の詳細な説明に示されるいかなる理論によっても本発明は境界付けられない。
図1および図2は、一実施形態による振動分離装置100の側面図および断面図を示す。一実施形態において、振動分離装置100は、ピボット部102、支持部104、およびその間を延びる振動分離装置106を有する。ピボット部102は、望遠鏡、反作用ホイールアセンブリまたは振動し減衰される他の装置のような図示しないペイロードから振動を受け取るように構成される。支持部104は、振動分離装置106を図示しないベース部に取り付ける。一実施形態において、支持部104は振動分離装置106の一部として一体的に形成できる。支持部104が図1において、振動分離装置106のピボット部102の反対側の端部に配置されるように示されているが、支持部104は、代替的に振動分離装置106の他の適当な部分に形成されてもよく、また適当な部分に連結されてもよい。
図2により詳細に示すように、振動分離装置106は、一実施形態において、主バネ116、シャフト108、ピストン110、第1ベローズ112、第2ベローズ114、および少なくとも1つの同調マスダンパー118、120を含む。主バネ116は、概ね円筒形であり、また、シャフト108、ピストン110、およびベローズ112、114の少なくとも一部を中に収容する。一実施形態において、主バネ116は、第1開口部138を一方の端部140に含み、また第2開口部142を反対側の端部144に含む。第1開口部138が形成される端部140は、取付キャップ146を介してピボット部102に連結され、一方で、第2開口部142が形成される端部144は、主バネ116を支持部104に取り付けるために用いられる。一実施形態において、取付キャップ146および支持部104は、シャフト108、ピストン110、およびベローズ112、114を主バネ116内で取り囲む。
上でほのめかしたように、シャフト108は、ピストン110、ベローズ112、114と協働し、運動の一部を減衰させるように構成される。一実施形態において、シャフト108は概ね円筒形であり、また、内側表面122および端部126、128を備える。内側表面122は通路124を画定し、この通路124内にピストン110およびベローズ112、114が配置される。シャフト108の第1端部126は、少なくとも部分的に第1端部キャップ130で覆われ、シャフト108の第2端部128は、少なくとも部分的に第2端部キャップ132で覆われる。一実施形態において、端部キャップ130、132はそれぞれ開口部134、136を含む。
ピストン110をシャフト108に対する位置に維持するために、ピストン110は、第1ベローズ112を介して第1端部キャップ130に取り付けられ、第2ベローズ114を介して第2端部キャップ132に取り付けられる。ピストン110がピボット部102から振動を受け取ったときに減衰を提供するために、通路124は、粘性液体または気体のような流体(図示せず)で満たされる。振動分離装置106は、流体により生じうる熱膨張を補正するために温度補正器133を含むことができる。一実施形態において、温度補正器133は、ピストン110を支持部104に取り付けるベローズを含んでもよい。
駆動中、主バネ116は、所定の周波数範囲内で振動させられたとき、複数の軸方向のサージモードで共振することができる。軸方向のサージモードは、主バネ116を軸方向に振動させる周波数である。所定の周波数範囲は、主バネ116の1つまたはそれ以上の共振周波数を含む範囲とすることができる。主バネ116は、所定の周波数範囲内の第1周波数で振動させられたときに第1軸方向サージモードで共振することができ、所定の周波数範囲内の第2の周波数で振動させられたときに第2軸方向サージモードで共振することができる。いくつかの場合、主バネ116の共振は、振動分離装置110の減衰性能に干渉することがある。
複数の軸方向サージモードを減衰させるために、一実施形態において、1つまたはそれ以上の同調マスダンパー118、120が主バネ116に取り付けられる。同調マスダンパー118、120は、一実施形態において、それぞれ複数の軸方向サージモードを減衰させるように構成される。他の実施形態において、1つまたはそれ以上の同調マスダンパー118、120は、さらに横方向サージモードを減衰させるように構成されてもよい。図示の実施形態において、2つの同調マスダンパー118、120が示されているが、一実施形態において、単一の同調マスダンパーを備えるようにしてもよい。他の実施形態において、代替的に2つより多くのマスダンパーを備えるようにしてもよい。主バネ116に含まれる同調マスダンパーの数は、軸方向サージモードの特定の周波数、および/または減衰させる横方向サージモードの特定の周波数、および/または主バネ116の特定の寸法に依存する。
図3は、本発明の一実施形態による同調マスダンパー300の断面図である。同調マスダンパー300は、概ね円筒形であり且つキャビティ304を画定するハウジング302を含む。一実施形態によれば、第1マス306、第2マス308、第1同調マスダンパーバネ310、第2同調マスダンパーバネ312、および流体(図示せず)がキャビティ304内に配置される。第1マス306および第2マス308はリング形状であり、開口部を形成する内側直径表面316、318を備える。一実施形態において、第1同調マスダンパーバネ310は第1マス306を端部キャップ324に連結し、第2同調マスダンパーバネ312は第1マス306を第2マス308に連結する。端部キャップ324は、円筒形ハウジング302の端部上に配置され、キャビティ304をシールする。一実施形態によれば、シャフト326は端部キャップ324から突き出し、各マス306、308の開口部を通して延びる。一実施形態において、端部キャップ324は、長さに沿って形成された孔328を含むことができ、キャビティ304から端部キャップ324内に形成された温度補正チャンバ330への連絡を提供する。流体はキャビティ304、孔328、および温度補正チャンバ330を満たし、マス306、308およびバネ310、312を取り囲む。温度補正チャンバ330に連通するように温度補正器のベローズ332を端部キャップ324内に配置することができ、ベローズ332は、流体の熱膨張を補正するように調整される。随意に、同調マスダンパー300を主バネ(たとえば図2の主バネ116)に連結するために、フランジ334を円筒形ハウジング302から外側に延びるようにすることができる。
同調マスダンパー300は複数のサージモードを減衰させるように構成される。これに関して、バネ310、312に組み合わせられたマス306、308は、特定の周波数で共振する単一のマスとして機能するように構成されてもよく、それにより、第1周波数範囲内の周波数において構造物に与えられるであろう、構造物(たとえば主バネ116)の第1軸方向サージモードを減衰させる。他の実施形態によれば、バネ310、312に組み合わせられたマス306、308は、特定の周波数で共振する単一のマスとして機能するように構成されてもよく、それにより、第2の周波数範囲内の周波数において構造物に与えられるであろう、構造物(たとえば主バネ116)の第2軸方向サージモードを減衰させる。さらに他の実施形態において、隣接して連結されるバネ(たとえばバネ312)に組み合わせられた第2マス308(同調マスダンパーバネ312に連結される端部および束縛されない端部を備えるマス)は、構造物の第2軸方向サージモードを減衰させるために、ある振幅における特定の周波数で共振するように構成されてもよく、ここで、この振幅は、2つのマス306、308が第2周波数範囲内の周波数にさらされたときに第1マス306が共振するときの振幅よりも大きい。他の実施形態において、第1マス306および第2マス308が減衰させる、第1周波数範囲および第2周波数範囲内の周波数は、それぞれ、構造物に与えられる第1軸方向サージモードおよび第2軸方向サージモードにおける、第1周波数範囲および第2周波数範囲内の周波数よりも小さくすることができる。たとえば、第1マス306および第2マス308が減衰させる、第1周波数範囲および第2周波数範囲内の周波数は、それぞれ、構造物に与えられる第1軸方向サージモードおよび第2軸方向サージモードにおける、第1周波数範囲および第2周波数範囲内の周波数よりも約5%から約10%小さくすることができる。
一般に、上述のように共振するように同調マスダンパー300を設計するために、同調マスダンパー300により減衰させる所望の周波数が始めに選択される。一実施形態において、2つの所望の周波数を選択することができる。しかし、他の実施形態においてより多くの周波数を選択してもよい。一実施形態において、同調マスダンパー300の所望の周波数は、分離される構造物(たとえば主バネ116)の第1の2つの周波数(軸方向サージモード)に一致させることができ、また、第1マス306および第2マス308の適切な重量の選択、および第1、第2の同調マスダンパーバネ310、312の剛性の適当な選択により達成することができる。一実施形態において、寸法の選択プロセスの一部において式1を使用できる。
Figure 2010091108
式1(Reference Blevins)において、
M1=第1マス(たとえば第1マス306)、
M2=第2マス(たとえば第2マス308)、
k1=第1マスとグラウンドを連結するバネの剛性(たとえば第1同調マスダンパーバネ310)、
k2=第1マスと第2マスを連結するバネの剛性(たとえば第2同調マスダンパーバネ312)、であり、M1、M2、k1、k2は、首尾一貫した質量および剛性単位を備える。他の実施形態において、粘性減衰を含むより正確な分析を採用してもよい。
特定の特性を備える同調マスダンパーを設計するために、M1、M2、k1、およびk2を計算する前に、いくつかの条件を確立することができる。たとえば、システム(たとえばシステム100)は、所望の全重量制限を備えることができる。従って、一実施形態において、同調マスダンパーの2つのマス(たとえば第1マス306および第2マス308)の全質量は、減衰される振動を備える構造物(たとえば主バネ116)の質量の約5%に設定することができる。同調マスダンパー(たとえば同調マスダンパー300)内に空間的制限がある他の実施形態において、同調マスダンパーは、大きなマス(たとえば第1マス306)および小さなマス(たとえば第2マス308)を含むことが望まれ、ここで、大きなマスは、小さなマスよりも約50%大きい質量を備えることができる。他の実施形態において、同調マスダンパーは、所定の許容公差を備えるように設計することができる。たとえば、2つのマスダンパーバネは、同調マスダンパーが第1軸方向サージモードおよび第2軸方向サージモードの大きさを約5%から約10%減少させるように選択することができる。
第1マス306は第2マス308よりも大きく図示されているけれども、第1マス306が第2マス308よりも小さくなるような他の実施形態も含むことができる。特定の構成に関係なく、同調マスダンパー300を、第1軸方向サージモードおよび第2軸方向サージモードを減衰させる周波数に調整するために、一方のマス(第1マス306または第2マス308の一方)を他方のマスより小さくまたは大きくすることができる。さらに、同調マスダンパー300において2つのマス306、308が示されているが、代替的により多くのマスを備えるようにしてもよい。特に、2つより多くの軸方向サージモードが減衰される振動を備える構造物(たとえば主バネ116)により与えられる実施形態において、2つよりも多くのマスを含むことができ、各マスは1つ以上の軸方向サージモードを減衰させるように選択することができる。たとえば、減衰させる振動を備える構造物により3つの軸方向サージモードが与えられる実施形態において、同調マスダンパーは3つのマスを含むことができる。
任意の場合において、端部キャップ324、第1同調マスダンパーバネ310、第1マス306、第2同調マスダンパーバネ312、および第2マス308を互いに直列に連結することにより、および、同調マスダンパー内に流体を含むことにより、減衰される2自由度の振動子(oscillator)が形成される。追加的に、同調マスダンパーの第1の2つの共振周波数は、質量、バネ剛性、および減衰値のような様々な設計パラメータを調整することにより、所望の周波数に一致するように調整できる。
軸方向サージモードを減衰させることに加えて、他の実施形態において、同調マスダンパー300は横方向バネサージモードを減衰させるように構成されてもよい。横方向バネサージモードは、同調マスダンパー300(または一部品、たとえば主バネ116)が横方向に振動し、同調マスダンパー300自身の操作により生じる場合の周波数とすることができる。横方向サージモードの減衰機構を提供するために、マス306、308の内側直径表面316、318の一方または両方と、シャフト326の外側表面との間のギャップを特に寸法決めすることができる。たとえば、増加した剛性を提供するために、マス306、308の一方または両方の内側直径表面316、318と、シャフト326の外側直径表面との間のギャップを減少させることができる。同様に、減少した剛性を提供するために、マス306、308の一方または両方の内側直径表面316、318と、シャフト326の外側直径表面との間のギャップを増加させることができる。
減衰させる振動を備える構造物(たとえば主バネ116)の特定の軸方向サージモードを減衰させるように、同調マスダンパー300の能力をさらに最適化するために、同調マスダンパー300は、構造物上で特定の位置に配置することができる。たとえば、図2に戻り、一実施形態において、同調マスダンパー118、120は、2つの位置の間の軸方向位置に配置することができ、ここで、第1軸方向位置160は、端部144から端部130へ測定した主バネ116の長さの約30%から約45%の範囲に位置しており、位置実施形態において、好ましくは、第1軸方向位置160は主バネ116の長さの約37.5%のところに位置する。第2の軸方向位置162は、端部144から端部130へ測定した主バネの長さの約55%から約70%の範囲に位置しており、一実施形態において好ましくは、第2の軸方向位置162は、主バネ116の長さの約62.5%のところに位置する。しかし、同調マスダンパー118、120の具体的な軸方向位置は、減衰される具体的な軸方向サージモード、主バネの具体的な寸法および構成、ペイロードの寸法および構成、および/またはその他の要因に依存し得ることを理解されたい。一実施形態において、同調マスダンパー118、120の一方または両方は、直接的に主バネ116に取り付けられる。他の実施形態において、フランジ154は、主バネ116に直接的に取り付けられ、同調マスダンパー118、120は、図2に示すようにフランジ154に取り付けられる。
主バネ116の外側表面に取り付けられるように示されているが、同調マスダンパー118、120は、代替的に、内側表面に取り付けるようにしてもよい。図4は、主バネ416および内側表面458を含む振動分離装置406の断面図を示している。同調マスダンパー418、420は、内側表面458に取り付けられている。このような実施形態において減衰能力を維持するために、同調マスダンパー418、420は、主バネ416内に収容されるいずれの部品にも接触しないように配置される。
従来の振動分離装置よりも減衰能力が改善される振動分離装置が提供された。特に、それぞれ複数の軸方向サージモードを減衰させることができる同調マスダンパーが改良された振動分離装置に組み込まれる。いくつかの実施形態において、各同調マスダンパーは、さらに横方向サージモードを減衰させるように構成される。単一の同調マスダンパーに複数のサージモードを減衰させることを許容することにより、振動分離装置内の部品を少なくでき、またそのため振動分離装置の重量および空間を小さくできる。
上記の詳細な説明において本発明の少なくとも1つの実施形態が示されたが、多くの数の変形例が存在することを理解されたい。また、1つまたは複数の例示的な実施形態は、単なる例示であり、本発明の範囲、用途、応用をいかなる意味でも制限することを意図するものではないことを理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本技術分野の当業者に、本発明の例示的な実施形態を実行する便宜的なロードマップを提供するものである。添付の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、説明された例示的な実施形態における機能および構成において、様々な変更を行うことが可能であることを理解されたい。

Claims (3)

  1. 所定の周波数範囲にさらされたときに第1軸方向サージモードおよび第2軸方向サージモードで振動する構造物とともに用いられる同調マスダンパー(118、120)であって、前記同調マスダンパー(118、120)は、
    キャビティ(304)を画定し且つ端部を含むハウジング(302)と、
    前記ハウジング(302)の前記端部上に配置される端部キャップ(324)と、
    前記キャビティ(304)内に配置される第1マス(306)と、
    前記キャビティ(304)内に配置される第2マス(308)と、
    前記キャビティ(304)内に配置され、前記第1マス(306)を前記端部キャップ(324)に連結する第1同調マスダンパーバネ(310)と、
    前記キャビティ(304)内に配置され、前記第1マス(306)を前記第2マス(308)に連結する第2同調マスダンパーバネ(310)と、を有し、
    前記同調マスダンパー(118、120)は、前記第1軸方向サージモードを減衰させるための、前記所定の周波数範囲内の第1共振周波数を備え、
    前記同調マスダンパー(118、120)は、前記第2軸方向サージモードを減衰させるための、前記所定の周波数範囲内の第2共振周波数を備え、
    前記第1マス(306)および前記第2マス(308)が前記第2軸方向サージモードにさらされたときに、前記第2マス(308)は、前記第1マス(306)が共振するときの振幅よりも大きな振幅で共振する、同調マスダンパー。
  2. 請求項1に記載の同調マスダンパー(118、120)であって、さらに、
    前記端部キャップ(324)から延びるシャフト(326)を有し、
    前記第1マス(306)および前記第2マス(308)は、リング形状であり、前記シャフト(326)は前記第1マス(306)、前記第1同調マスダンパーバネ(310)、前記第2マス(308)、および前記第2同調マスダンパーバネ(312)を通って延びる、同調マスダンパー。
  3. 請求項2に記載の同調マスダンパー(118、120)であって、前記端部キャップ(324)はチャンバ(330)を有し、前記端部キャップ(324)は孔(328)を有し、前記孔(328)は、前記キャビティ(304)と前記チャンバ(330)との間の流体連通を提供する、同調マスダンパー。
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