JP2012072785A

JP2012072785A - 摩擦ダンパー

Info

Publication number: JP2012072785A
Application number: JP2010216301A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Isoda; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】優れた減衰性能が得られ、設置スペースが小さく、変形ロスもなく、構造が簡易で安価に製作することができる摩擦ダンパーを提供する。
【解決手段】メインシリンダ２１とサブシリンダ２２からなる伸縮可能なケーシング２０内に、ボールナット３２とボールねじ軸３１からなるボールねじ機構３０を組み込み、ケーシングの伸縮によりボールねじ機構を作動せしめるとともに、ボールナットまたはボールねじ軸を摩擦材４３により制動しつつ回転させることにより抵抗トルクを発生させる。ボールナットに対して摩擦材を介して押圧板４０を圧縮ばね４２により押圧することでボールナットの回転に対して制動を与える。あるいは、ボールねじ軸に固定した回転板に対して摩擦材を介して押圧板を圧縮ばねにより押圧することで回転板を介してボールねじ軸の回転に対して制動を与える。
【選択図】図１

Description

本発明は建物等の構造物を対象として制震ないし免震用の減衰要素として設置されるダンパーに係わり、特にボールねじ機構を利用した摩擦ダンパーに関する。

周知のように摩擦ダンパー（ブレーキダンパーと呼称されることもある）は履歴ダンパーの１種で、比較的簡単な構造で大きな減衰性能が得られる特徴がある。
この種の摩擦ダンパーとしては、たとえば特許文献１〜２に示されるようなせん断型のものと、たとえば特許文献３〜５に示されるような回転型のものが一般的である。

図４にせん断型の摩擦ダンパーの基本構成を示す。これは複数枚の鋼板（図示例では２枚の外板１と１枚の中板２の３枚）を摩擦材３を介して面内相対変位可能に積層し、それらの全体を皿バネ４を介してボルト５により締結した構成のものである。この場合、ボルト５による圧縮力Ｎ、摩擦材３の摩擦係数μ、摩擦面数ｎ（図示例の場合にはｎ＝２）とすると、この摩擦ダンパーが変位を生じる際の摩擦力ＦはＦ＝ｎμＮとなる。

図５に回転型の摩擦ダンパーの基本構成を示す。これは１枚のセントラルプレート６の一端部と２枚のサイドプレート７の中央部を摩擦材８を介して積層してボルト９により面内相対回転可能に連結した構成のものである。これをたとえば（ｂ）に示すように架構フレーム１０に対して増幅伝達機構としてのブレース部材１１を介して組み込むことにより、架構フレーム１０の水平変形によりセントラルプレート６とサイドプレート７との間で相対回転が生じて摩擦材８による摩擦トルクが生じるものである。

特開２００３−３０７２５３号公報特開２００９−１５０１８２号公報特開平１０−１６９２４４号公報特開２００３−９７６２１号公報特表２００４−５３５５３４号公報

図４に示したようなせん断型の摩擦ダンパーでは、想定される相対変位を許容するために大きな長孔（図示例では中板２に対して形成している）を設ける必要がある。また、一般的に使用される摩擦材３の摩擦係数はμ＝０．１５〜０．３程度なので、大きな摩擦力を得るためには圧縮力Ｎを充分に大きくする必要がある。そのため、実際上は多数の摩擦ダンパーを並列設置して所定の摩擦力を実現するようにしているが、その場合は各ダンパーの摩擦係数や圧縮力を厳密に揃えることは容易ではないので全てのダンパーを均等に効かせることは困難である。

図５に示したような回転型の摩擦ダンパーでは、上記のせん断型の摩擦ダンパーでは必要である長孔は不要であるが、回転中心となる１本のボルト９のみで摩擦トルクを生じさせることから自ずと圧縮力には限界があり、大きな負担力には対応できない。
また、このダンパーを作動させるためには（ｂ）に示したようにブレース部材１１のような増幅伝達部材を設置する必要があることからその設置スペースを確保する必要があるし、増幅伝達部材自体が変形すると（たとえばブレース部材１１が軸方向に伸縮してしまうと）ダンパーの変位ロスになる。

上記事情に鑑み、本発明は上記のようなせん断型あるいは回転型の摩擦ダンパーの問題点を解決し得る有効適切な摩擦ダンパーを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、メインシリンダとサブシリンダとを同軸状態で相対変位可能に組み合わせて軸方向に伸縮可能なケーシング内に、ボールナットをボールねじ軸に螺着してなるボールねじ機構を組み込み、前記ケーシングの軸方向の伸縮により前記ボールねじ機構を作動せしめるとともに、前記ボールナットまたは前記ボールねじ軸を摩擦材により制動しつつ回転させることにより抵抗トルクを発生させる構成とされてなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の摩擦ダンパーであって、前記ボールねじ軸を前記サブシリンダに対して相対回転不能かつ相対変位不能に固定するとともに、前記ボールナットを前記メインシリンダに対して相対回転可能かつ相対変位不能に取り付け、前記メインシリンダ内に前記ボールナットに対向する押圧板を軸方向に変位可能に設置して、該押圧板を圧縮ばねによって前記ボールナットに対して押圧せしめるとともに、前記押圧板と前記ボールナットとの間に前記摩擦材を介装してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の摩擦ダンパーであって、前記ボールナットを前記サブシリンダに対して相対回転不能かつ相対変位不能に固定するとともに、前記ボールねじ軸を前記メインシリンダに対して相対回転可能かつ相対変位不能に取り付けて、該ボールねじ軸に該ボールねじ軸と一体に回転する回転板を固定し、前記メインシリンダ内に前記回転板に対向する押圧板を軸方向に変位可能に設置して、該押圧板を圧縮ばねによって前記回転板に押圧せしめるとともに、前記押圧板と前記回転板との間に前記摩擦材を介装してなることを特徴とする。

本発明の摩擦ダンパーは、ケーシングの軸方向伸縮によりボールねじ機構が荷重拡大機構として機能して小さな圧縮力でも大きな反力を発揮するものであり、優れた減衰性能が得られる。また、設置スペースが小さく、変形ロスもなく、構造が簡易で安価に製作することができる。

本発明の摩擦ダンパーの第１実施形態を示す図である。同、荷重−変位関係を示す図である。本発明の摩擦ダンパーの第２実施形態を示す図である。従来のせん断型の摩擦ダンパーの基本構成を示す図である。従来の回転型の摩擦ダンパーの基本構成を示す図である。

図１に本発明の摩擦ダンパーの第１実施形態を示す。
これは、軸方向に伸縮可能なケーシング２０内にボールねじ機構３０を組み込み、ケーシング２０の伸縮によりボールねじ機構３０を作動させてその摩擦抵抗力によって減衰効果を得る形式のものである。

ケーシング２０は、メインシリンダ２１とそれよりもやや小径のサブシリンダ２２とが、キー２３をキー溝に嵌合させて同軸状態で軸方向に相対変位可能かつ相対回転不能に組み合わせて構成されている。

ボールねじ機構３０はボールねじ軸３１にボールナット３２を螺着した構成とされた周知の構成のもので、本実施形態ではボールねじ軸３１の一端（左端）をサブシリンダ２２に対して相対回転不能かつ相対変位不能に固定するとともに、ボールナット３２をベアリング３３により回転自在に支持しているハウジング３４をメインシリンダ２１の内面に対して固定している。
これにより、ボールナット３２はメインシリンダ２１に対して相対回転可能かつ相対変位不能に取り付けられ、したがってケーシング２０が伸縮した際にはボールねじ軸３１がケーシング２０内においてボールナット３２に対して軸方向に相対変位し、それによりボールナット３２はメインシリンダ２１において回転せしめられるようになっている。

そして、メインシリンダ２１内にはボールナット３２に対向する押圧板４０がキー４１とキー溝との嵌合により軸方向に変位可能かつ相対回転不能に設置され、その押圧板４０は圧縮ばね４２によってボールナット３２に対して押圧せしめられるとともに、それらボールナット３２と押圧板４０との間には摩擦材４３が介装されている。

摩擦材４３はボールナット３２の回転に対して制動を与えて摩擦抵抗力を発揮するものであり、そのためにはボールナット３２に対して摩擦材４３をボールナット３２の回転軸に垂直に固定しておいてその摩擦材４３に対して押圧板４０を面接触させた状態で押圧させるか、あるいは摩擦材４３をボールナット３２の回転軸に垂直に配置された押圧板４０に固定しておいてその摩擦材４３をボールナット３２に対して面接触させた状態で押圧させれば良い。いずれにしても圧縮ばね４２のばね剛性と縮み量の調整により面圧を適正に調整して所望の摩擦抵抗力が生じるようにすれば良い。

なお、摩擦材４３および押圧板４０には、ボールねじ軸３１の先端部が挿通可能な中心孔が形成されていて、ケーシング２０の伸縮時のボールねじ軸３１の軸方向変位が許容されるようになっている。

本実施形態の摩擦ダンパーは、ケーシング２０の軸方向伸縮によりボールねじ機構３０が荷重拡大機構として機能して優れた減衰性能が得られる。
すなわち、本実施形態の摩擦ダンパーは、ケーシング２０が伸縮するとボールナット３２が回転するのであるが、そのボールナット３２には押圧板４０によって摩擦材４３が押圧されているので、ボールナット３２は摩擦材４３によって制動されつつ回転してその摩擦力によって抵抗トルクが発生し、回転型の摩擦ダンパーとして機能するものである。

この場合、摩擦トルクＴは、摩擦材４３の外径Ｄ_１、内径Ｄ_２、摩擦係数μ、面圧（摩擦面の圧縮応力度）σ_０、摩擦面の面積Ａ、摩擦面上の点から中心までの距離ｒとすると、次式で表される。

一方、圧縮ばね４２に作用する圧縮合力をＮとすると、面圧σ_０および摩擦トルクＴは次式となる。

したがって、ボールねじ機構２０のリードをＬ_ｄとすると、この摩擦ダンパーの反力Ｆは次式となる。

上述したように一般的な摩擦ダンパーでは反力ＦはＦ＝ｎμＮなので、本発明の摩擦ダンパでは摩擦材４３の外径Ｄ_１がリードＬ_ｄよりも桁違いに大きい（２０倍程度）ことから、圧縮力Ｎは従来の摩擦ダンパーより桁違いに小さく（１／２０以下）できることになる。
なお、この摩擦ダンパーの荷重−変位関係は図２に示すようになり、変位ｘに関わらずダンパー反力荷重は一定（Ｆあるいは−Ｆ）になる。

図３に本発明の摩擦ダンパーの第２実施形態を示す。
これは、第１実施形態と同様に伸縮自在なケーシング２０内にボールねじ機構２０を組み込んだものであるが、本実施形態ではボールナット３２をサブシリンダ２２に対して相対回転不能かつ相対変位不能に固定し、ボールねじ軸３１の一端（右端）をメインシリンダ２１に対して軸受け５０により相対回転可能かつ相対変位不能に取り付けて、そのボールねじ軸３１に対してボールねじ軸３１と一体に回転する回転板５１を固定したものである。
そして、第１実施形態と同様に、回転板５１に対向する位置に押圧板４０を圧縮ばね４２により押圧可能に設置し、押圧板４０と回転板５１との間に摩擦材４３を介装することにより、ボールねじ軸３１を摩擦材４３により制動しつつ回転させるように構成している。摩擦材４３は押圧板４０あるいは回転板５１のいずれか一方に固定すれば良い。

本実施形態によれば、ケーシング２０が伸縮した際にはボールナット３２がケーシング２０内で変位することによりボールねじ軸３１が回転せしめられ、それにより回転板５１が摩擦材４３により制動されつつ回転し、したがって上記実施形態と同様に摩擦抵抗力によって減衰効果が得られる。
本実施形態の場合もダンパー反力Ｆは第１実施形態の場合と同様であり、荷重−変位関係も同様である。

本発明の効果を以下に列挙する。
（１）荷重拡大機構としてボールねじ機構を利用することで、小さな圧縮力でも大きな反力をもつ摩擦ダンパーを構築できる。従来の荷重拡大機構として梃子やトグルを用いたものがあるが、いずれも変位方法とは別の方向に配置された部材が必要となり、そのための設置スペースを要するとともに増幅機構の変形がダンパーの変位ロスとなる問題があった。本発明は変位方向であるダンパー軸方向の部材のみで構成されており、設置スペースが小さく、ボールねじ噛み合わせによる変形ロスも殆どない。

（２）従来のせん断型の摩擦ダンパーでは、摩擦面に圧縮力を付与するためのボルトを設けているため、そのボルトがダンパー変位を阻害しないように長孔が必要であったが、本発明によればそのような長孔は不要となり、大きな変位にもボールねじ長さを増すことで容易に対応できる。

（３）従来の摩擦ダンパーと比較して、摩擦面積が小さく、付与する圧縮力も小さいので、コンパクトなダンパーを実現できる。特に、圧縮力を付与するためのボルトが不要なので、全長を短くすることができる。また、ケーシングには内圧も作用せず、大きな圧縮力も生じないので、軽微で安価なパイプ材をメインシリンダおよびサブシリンダとして使用できる。

（４）圧縮バネにより摩擦面の面圧（圧縮応力度）を付与しており、縮み量をやや大きくすることで摩擦材が摩耗して厚さが減少しても面圧をほぼ一定に保持できる。従来の摩擦ダンパーは皿バネを使用したりＰＣ鋼棒を緊張したりして面圧を付与していたが、ばね剛性が高く縮み量が小さいため摩擦材がわずかに摩耗しても面圧が大きく低下し、摩擦力（反力）が低下してしまう傾向があった。本発明によれば、従来型より圧縮力が小さくて良いため、ばね剛性の小さな圧縮ばねを使用することができる。

（５）ボールねじ機構により摩擦抵抗力（反力）を大きく増幅できることから、摩擦係数の小さな摩擦材（摩擦係数μ＝０．１〜０．２程度）が適用でき、それにより摩耗性能が向上（すなわち摩耗が減少）する。また、摩擦係数が大きい材料ほど摩擦係数のばらつきが大きくなる傾向があることから、摩擦係数を小さくすることにより摩擦係数のばらつきを抑えることができる。

（６）メインシリンダの端面において圧縮ばねのたわみ（縮み量）を調整することにより、摩擦抵抗力（反力）をコントロールすることが可能である。

（７）本発明のダンパーの設置に当たって特別な技能や設備は不要で、一般的なオイルダンパーと同様に施工できる。

以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要は、ケーシングの伸縮によりボールねじ機構を作動させてボールナットあるいはボールねじ軸が回転するようにしたうえで、その回転を摩擦材により制動して抵抗トルクを発生させるように構成すれば良いのであって、その限りにおいて摩擦材の形状や寸法、摩擦係数その他の具体的な構成については適宜の設計的変更や応用が可能であることは当然である。

２０ケーシング
２１メインシリンダ
２２サブシリンダ
２３キー
３０ボールねじ機構
３１ボールねじ軸
３２ボールナット
３３ベアリング
３４ハウジング
４０押圧板
４１キー
４２圧縮ばね
４３摩擦材
５０軸受け
５１回転板

Claims

メインシリンダとサブシリンダとを同軸状態で相対変位可能に組み合わせて軸方向に伸縮可能なケーシング内に、ボールナットをボールねじ軸に螺着してなるボールねじ機構を組み込み、前記ケーシングの軸方向の伸縮により前記ボールねじ機構を作動せしめるとともに、前記ボールナットまたは前記ボールねじ軸を摩擦材により制動しつつ回転させることにより抵抗トルクを発生させる構成とされてなることを特徴とする摩擦ダンパー。
請求項１記載の摩擦ダンパーであって、
前記ボールねじ軸を前記サブシリンダに対して相対回転不能かつ相対変位不能に固定するとともに、前記ボールナットを前記メインシリンダに対して相対回転可能かつ相対変位不能に取り付け、
前記メインシリンダ内に前記ボールナットに対向する押圧板を軸方向に変位可能に設置して、該押圧板を圧縮ばねによって前記ボールナットに対して押圧せしめるとともに、前記押圧板と前記ボールナットとの間に前記摩擦材を介装してなることを特徴とする摩擦ダンパー。
請求項１記載の摩擦ダンパーであって、
前記ボールナットを前記サブシリンダに対して相対回転不能かつ相対変位不能に固定するとともに、前記ボールねじ軸を前記メインシリンダに対して相対回転可能かつ相対変位不能に取り付けて、該ボールねじ軸に該ボールねじ軸と一体に回転する回転板を固定し、
前記メインシリンダ内に前記回転板に対向する押圧板を軸方向に変位可能に設置して、該押圧板を圧縮ばねによって前記回転板に押圧せしめるとともに、前記押圧板と前記回転板との間に前記摩擦材を介装してなることを特徴とする摩擦ダンパー。