JP2020098021A

JP2020098021A - 動吸振器

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Publication number: JP2020098021A
Application number: JP2019094257A
Authority: JP
Inventors: 啓太金井; Keita Kanai; 岡田　徹; Toru Okada; 徹岡田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: JP7140709B2

Abstract

【課題】吸振特性の温度依存性を抑制することが可能な動吸振器を提供する。【解決手段】動吸振器は、一端が固定された板ばねと、前記板ばねに固定された質量体と、前記板ばねの一方の主面と前記主面に対向する対向物とに連結された、温度が高くなるに従って剛性が低くなる粘弾性体と、を備え、前記板ばねは、温度が高くなるに従って前記粘弾性体の方向に変形する。【選択図】図１

Description

本発明は、動吸振器に関する。

対象物にバネと質量体を付加することにより、固有振動数を同調させて対象物の固有振動数周辺での共振現象を抑制する動吸振器が知られている。かかる動吸振器の中でも、板バネを利用したものは、板バネの一端をバネ固定金具によって対象物に固定し、板バネの他端近傍に重錘を位置調整可能に取り付けるという構造である。また、かかる板バネ式の動吸振器において、ダンパーとして粘弾性体を付加したものがある（特許文献１参照）。

特開平７−３１７３７２号公報

ところで、粘弾性体の剛性は温度によって変化するため、粘弾性体を利用した動吸振器の吸振特性は温度によって変化し得る。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、吸振特性の温度依存性を抑制することが可能な動吸振器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一の態様の動吸振器は、一端が固定された板ばねと、前記板ばねに固定された質量体と、前記板ばねの一方の主面と前記主面に対向する対向物とに連結された、温度が高くなるに従って剛性が低くなる粘弾性体と、を備え、前記板ばねは、温度が高くなるに従って前記粘弾性体の方向に変形する。

本発明によれば、吸振特性の温度依存性を抑制することが可能となる。

第１実施形態に係る動吸振器の構成例を模式的に示す図である。第２実施形態に係る動吸振器の構成例を模式的に示す図である。第３実施形態に係る動吸振器の構成例を模式的に示す図である。動吸振器の各部を説明するための図である。動吸振器の各部を説明するための図である。第４実施形態に係る動吸振器の構成例を模式的に示す図である。第４実施形態に係る動吸振器の構成例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る動吸振器１Ａの構成例を模式的に示す図である。以下の説明では、図中のＺ１方向を上方向、Ｚ２方向を下方向とする。動吸振器１Ａは、吸振対象となる対象物９に設置されている。対象物９は、例えば樹脂機械、圧縮機などの各種産業用機械や、鉄やアルミなどの生産ラインなどである。

動吸振器１Ａは、板ばね２と、板ばね２に固定された質量体３と、板ばね２に連結された粘弾性体４とを備えている。

板ばね２は、基端が固定されており、先端が自由端となっている。例えば、板ばね２は、対象物９に固定された立設物７に基端が固定されており、立設物７から水平方向に延びている。板ばね２の一対の主面２１，２２は、上方と下方をそれぞれ向いている。板ばね２の下側の主面２２は、対象物９の上面と対向している。

これに限らず、板ばね２は、例えば対象物９に直接固定され、立設物７と対向してもよいし、対象物９に固定された筐体に収容され、筐体の内壁に固定され、筐体の内壁と対向してもよい。

板ばね２は、バイメタルで形成されている。バイメタルは、熱膨張率が異なる２枚の金属板を貼り合わせた部材である。各金属板は、ばね用冷間圧延鋼帯又はばね用ステンレス鋼帯などで形成されている。

板ばね２は、図中の破線で示すように、温度が高くなるに従って下方に変形するように構成されている。すなわち、板ばね２に含まれる上下２枚の金属板のうち、下側の金属板の熱膨張率が上側の金属板よりも小さく設定されている。板ばね２が下方に変形するとは、板ばね２の先端が下方に向かうように変形することである。

例えば、板ばね２は、図中の破線で示すように、真っ直ぐの状態から、先端が下がって全体として上方に凸に湾曲した状態に変形する。これに限らず、板ばね２は、先端が上がって全体として下方に凸に湾曲した状態から、真っ直ぐの状態に変形してもよい。

板ばね２は、バイメタルに限らず、温度が高くなるに従って一方の主面側に変形する部材であれば、特には限定されない。

質量体３は、板ばね２の長手方向の中途に固定されている。例えば、質量体３は、板ばね２の長手方向の中央よりも先端に近く、粘弾性体４よりも基端に近い位置に固定されている。質量体３は、粘弾性体４の逆側となる板ばね２の上側の主面２１に固定されている。また、質量体３は、板ばね２の長手方向に位置を調整可能である。

粘弾性体４は、板ばね２の長手方向の中途に連結されている。例えば、粘弾性体４は、質量体３よりも板ばね２の先端に近い位置に連結されている。また、粘弾性体４は、アクリルゴム等の合成ゴム又は天然ゴムなどのゴム材料で形成されており、円柱又は角柱等の上下方向に延びる柱状に形成されている。

粘弾性体４は、板ばね２の下側の主面２２とこれに対向する対象物９の上面とに挟まれて、接着剤等により連結されている。具体的には、粘弾性体４の上面が板ばね２の下側の主面２２に連結され、粘弾性体４の下面が対象物９の上面に連結されている。粘弾性体４は、板ばね２の振動に伴って上下方向に伸縮し、それにより板ばね２の振動を吸振する。なお、ここでは粘弾性体４と板ばね２との連結、また粘弾性体４と対象物９との連結に接着剤等を使用したが、粘弾性体４が自己粘着性を有しているものであれば、接着剤等を不要としてもよい。

質量体３の重さや位置、粘弾性体４の剛性や位置などは、動吸振器１Ａの固有振動数が対象物９の振動数と近くなるように設定される。

しかしながら、粘弾性体４は、温度が高くなるに従って剛性（ここでは、主に軸剛性に着目）が低くなるため、ある温度では動吸振器１Ａの固有振動数が目標を満たしていても、動吸振器１Ａやその周囲の温度が高くなると固有振動数が目標から逸脱してしまうことがある。

そこで、第１実施形態では、板ばね２を温度が高くなるに従って粘弾性体４の方向に変形するように構成することで、粘弾性体４の剛性の変化を抑制している。

すなわち、図中の破線で示すように、温度が高くなるに従って板ばね２が下方に変形すると、粘弾性体４は板ばね２により下方に押し付けられて、圧縮される。これにより、粘弾性体４の剛性は向上し、温度上昇に伴う剛性低下の少なくとも一部を補償することが可能となる。

以上に説明した第１実施形態によれば、動吸振器１Ａの固有振動数の変化を抑制することが可能となる。

なお、板ばね２が粘弾性体４を押し付けるとき、板ばね２は先端側の方が基端側よりも下方に位置するように変形するため、粘弾性体４の先端側の厚さを基端側の厚さよりも大きくする（例えば、先端側が基端側よりも高くなるように上面を傾斜させる）ことで、押し付け時における粘弾性体４の変形の均一化を図ってもよい。

［第２実施形態］
図２は、第２実施形態に係る動吸振器１Ｂの構成例を模式的に示す図である。上記第１実施形態と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。動吸振器１Ｂは、２枚の板ばね２，５を備えている。以下の説明では、板ばね２を「第１板ばね２」、板ばね５を「第２板ばね５」ともいう。

２枚の板ばね２，５は、対象物９に基端が固定されており、対象物９から水平方向に延びている。第１板ばね２の下側の主面２２と第２板ばね５の上側の主面５１とは対向している。２枚の板ばね２，５は、例えば立設物７（図１参照）に固定されてもよいし、対象物９に固定された筐体の内壁等に固定されてもよい。

第２板ばね５も、第１板ばね２と同様に、バイメタルで形成されている。第２板ばね５は、図中の破線で示すように、温度が高くなるに従って上方に変形するように構成されている。すなわち、２枚の板ばね２，５は、温度が高くなるに従って互いの距離が近づくように変形する。

粘弾性体４は、第２板ばね５の長手方向の中途にも連結されている。例えば、粘弾性体４は、質量体３が第１板ばね２に連結されているその第１板ばね２の長手方向の位置と同等の、第２板ばねの長手方向の位置よりも第２板ばね５の先端に近い位置に連結されている。

粘弾性体４は、第１板ばね２の下側の主面２２と第２板ばね５の上側の主面５１とに挟まれ、接着剤等により連結されている。具体的には、粘弾性体４の上面が第１板ばね２の下側の主面２２に連結され、粘弾性体４の下面が第２板ばね５の上側の主面５１に連結されている。粘弾性体４は、２枚の板ばね２，５の振動に伴って上下方向に伸縮し、それにより板ばね２，５の振動を吸振する。なお、第１実施形態においても述べたように、粘弾性体４が自己粘着性を有しているものであれば、接着剤等を不要としてもよい。

第２実施形態でも、２枚の板ばね２，５を温度が高くなるに従って粘弾性体４の方向に変形するように構成することで、粘弾性体４の剛性の変化を抑制しており、動吸振器１Ｂの固有振動数の変化を抑制することが可能である。

特に、第２実施形態によれば、２枚の板ばね２，５が、温度が高くなるに従って互いの距離が近づくように変形するので、上記第１実施形態と比較して、粘弾性体４の圧縮量を大きくすることが可能である。

なお、第２板ばね５は、バイメタル等の温度上昇に伴って一方の主面側に変形する部材に限らず、そのような特性を有さない一般的な板ばねであってもよい。

［第３実施形態］
図３は、第３実施形態に係る動吸振器１Ｃの構成例を模式的に示す図である。第３実施形態の多くの構成は上記第２実施形態と重複している。上記第２実施形態と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

第２実施形態では、第１板ばね２の長手方向の中途に固定されている質量体３を備えていたのに対し、第３実施形態ではこの質量体３を備えず、それに替わって質量体６を備えている。

質量体６は、第２板ばね５の長手方向の中途に固定されている。例えば、質量体６は、第２板ばね５の長手方向の中央よりも先端に近く、粘弾性体４よりも基端に近い位置に固定されている。質量体６は、粘弾性体４の逆側となる第２板ばね５の下側の主面５２に固定されている。また、質量体６は、第２板ばね５の長手方向に位置を調整可能である。

粘弾性体４は、第２板ばね５の長手方向の中途に連結されている。例えば、粘弾性体４は、質量体６よりも第２板ばね５の先端に近い位置に連結されている。

第３実施形態でも、２枚の板ばね２，５を温度が高くなるに従って粘弾性体４の方向に変形するように構成することで、粘弾性体４の剛性の変化を抑制しており、動吸振器１Ｃの固有振動数の変化を抑制することが可能である。

［第４実施形態］
図６及び図７は、第４実施形態に係る動吸振器１Ｄの構成例を模式的に示す図である。上記実施形態と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

図中のＸ１−Ｘ２方向は板ばね２の長さ方向を表し、Ｙ１−Ｙ２方向は板ばね２の幅方向を表す。板ばね２の長さ方向は、板ばね２の基端と先端とを結ぶ方向である。板ばね２の幅方向は、長さ方向と直交する方向である。

動吸振器１Ｄは、板ばね２の主面２２に固定された、板ばね２の幅方向に延びる補剛部材８を備えている。補剛部材８を設けることにより、バイメタルで形成された板ばね２の温度変化に伴う幅方向の湾曲を抑制することが可能となる。幅方向の湾曲とは、板ばね２の幅方向の両端が下がって、幅方向の中央が上方に凸となる湾曲（又はその逆）である。

バイメタルで形成された板ばね２は、長さ方向だけでなく幅方向にも湾曲するが、幅方向に湾曲すると、長さ方向における曲げ剛性が変化してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、板ばね２に幅方向に延びる補剛部材８を固定することで、板ばね２の幅方向の湾曲を抑制している。

なお、補剛部材８の長さ方向の寸法は、板ばね２の長さ方向の寸法と比べて十分に小さいため、動吸振器１Ｄが対象としている振動モードにおいては、補剛部材８の装着による剛性の変化は無視できるほど小さいと考えられる。

補剛部材８は、例えば板ばね２よりも剛性が高い鉄等の材料で形成されている。また、補剛部材８は、例えば幅方向の両端部がボルト等により板ばね２に固定されている。補剛部材８は、板ばね２の下側の主面２２に固定されている。これに限らず、補剛部材８は、板ばね２の上側の主面２１に固定されてもよい。

補剛部材８は、複数設けられている。具体的には、補剛部材８は、質量体３よりも基端に近い位置と、粘弾性体４よりも先端に近い位置とにそれぞれ固定されている。これに限らず、補剛部材８は、１又は３以上設けられてもよいし、質量体３と粘弾性体４の間の位置等に固定されてもよい。

補剛部材８は、板ばね２の幅方向の一方の端部から他方の端部まで延びている。補剛部材８は、それより短くてもよいが、板ばね２の幅方向の中央部を跨いでその両側に延びていることが好ましい。

［設計手法］
以下、第１実施形態に係る動吸振器１Ａを対象とした、動吸振器の設計手法について説明する。図４は、使用環境温度範囲における最低温度（以下、基準温度という）Ｔ_１での動吸振器１Ａの状態を示し、図５は、使用環境温度範囲における最高温度Ｔ_２での動吸振器１Ａの状態を示している。

まず、基準温度Ｔ_１での粘弾性体４のヤング率Ｅ_ｖ１及び最高温度Ｔ_２での粘弾性体４のヤング率Ｅ_ｖ２を求める。

次に、温度変化による板ばね２（バイメタル）及び粘弾性体４の変位量を算出する。基準温度Ｔ_１と最高温度Ｔ_２との温度差ΔＴは下記数式１で表され、基準温度Ｔ_１に対する温度差ΔＴにより生じる板ばね２の変位量Δｔは下記数式２で表され、最高温度Ｔ_２における粘弾性体４の厚さｔ_ｖ２は下記数式３で表される。

ここで、Ｋは板ばね２（バイメタル）の材料特性である平板形の湾曲係数、ｌ_ｖは板ばね２の基端から粘弾性体４までの距離、ｔ_ｂは板ばね２の厚さ、ｔ_ｖ１は基準温度Ｔ_１における粘弾性体４の厚さを表す。

粘弾性体４において厚さ変化による体積変化が生じないと仮定した場合、温度変化後の最高温度Ｔ_２における断面積Ａ_２は、下記数式４で表される。

ここで、Ａ_１は基準温度Ｔ_１における粘弾性体４の断面積を表す。なお、断面積Ａ_２は、粘弾性体４の厚さｔ_ｖ２までの任意の高さでの水平方向における断面積であり、厚さｔ_ｖ２までのどの高さにおいてもほぼ一定であると仮定する。

次に、使用環境温度範囲における温度変化による粘弾性体４のヤング率、断面積及び厚さの変化率を算出する。粘弾性体４のヤング率の変化率Ｘ_Ｅは下記数式５で表され、断面積の変化率Ｘ_Ａは下記数式６で表され、厚さの変化率Ｘ_ｔは下記数式７で表される。

粘弾性体４の断面積をＡ、ヤング率をＥ_ｖ、厚さをｔ_ｖとすると、粘弾性体４のバネ定数ｋ_ｖは下記数式８で表される。

つまり、使用環境温度範囲における粘弾性体４のバネ定数変化を抑制するためには、下記数式９を満たせばよい。さらに、この数式９に上記数式２〜７を代入すると下記数式１０が得られる。

したがって、使用環境温度範囲における粘弾性体４のバネ定数変化を抑制するためには、当該数式１０を満たすように、板ばね２の厚さｔ_ｂ、板ばね２の基端から粘弾性体４までの距離ｌ_ｖ、基準温度Ｔ_１における粘弾性体４の厚さｔ_ｖ１を決定すればよい。

なお、Ｋは板ばね２（バイメタル）の特性により決定される変数であり、ΔＴは使用環境温度範囲により決定される変数である。

使用環境温度範囲における粘弾性体４のバネ定数変化を抑制するための各種パラメータを決定した後、固有振動数の調整を行う。固有振動数の調整は、質量体３の位置ｌ_ｍや質量ｍを調整することで可能となる。

質量体３の位置ｌ_ｍや質量ｍを調整する際は、例えばＦＥＭ等で基準温度Ｔ_１における各種寸法及び材料特性を与えた解析モデルを作成し、固有値解析により目標固有振動数に対して所望の誤差範囲に収まるよう調整を行えばよい。

以上により、動吸振器１Ａの設計が完了する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が当業者にとって可能であることはもちろんである。

１Ａ，１Ｂ動吸振器、２板ばね、２１，２２主面、３質量体、４粘弾性体、５板ばね、５１，５２主面、６質量体、７立設物、９対象物

Claims

一端が固定された板ばねと、
前記板ばねに固定された質量体と、
前記板ばねの一方の主面と前記主面に対向する対向物とに連結された、温度が高くなるに従って剛性が低くなる粘弾性体と、
を備え、
前記板ばねは、温度が高くなるに従って前記粘弾性体の方向に変形する、
動吸振器。
前記板ばねは、バイメタルで形成される、
請求項１に記載の動吸振器。
前記対向物は、前記動吸振器が設置される対象物、又は前記対象物に固定された部材である、
請求項１または２に記載の動吸振器。
前記対向物としての、一端が固定された第２板ばねをさらに備える、
請求項１または２に記載の動吸振器。
前記第２板ばねは、温度が高くなるに従って前記粘弾性体の方向に変形する、
請求項４に記載の動吸振器。
前記板ばねの主面に固定された、前記板ばねの幅方向に延びる補剛材をさらに備える、
請求項１ないし５の何れかに記載の動吸振器。