JP4191262B2 - ニューマチック・マス・ダンパ - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、マス制動装置に関し、より詳細には、気体などの圧縮性流体を使用して、変動する温度条件下でより優れた制動が得られ、振幅の小さな振動ではより小さく制動し、振幅の大きな振動ではより大きく制動する、より小型で軽量な構造でこれらを実施するニューマチック・マス・ダンパに関する。
２．従来の技術の説明
従来の技術で、マス・ダンパが知られている。このようなダンパは通常、非圧縮性流体を含む容器内に運動するように、バネで取り付けられているマスを含んでいる。マスが容器内を移動すると、マスを通るまたはマスの周囲の通路により、非圧縮性流体をマスの一端から他端へと移動させることができる。ベローズなどの伸張可能なチャンバを容器に接続して、温度変化に応じて非圧縮性流体を膨張させることもできる。マスとバネを適切に選択することにより、マスは、所望の振動数、例えば、ダンパを取り付けたブームなどの構造の自然の振動数と等しい振動数で振動するようにすることができる。流体の粘度とアパーチャにより形成される通路のサイズを適切に選択することにより、その結果、ブームがショックを受けて、１つの方向に揺れ始めたときに、マスが同じ方向に、同じ振動数で振動し始めるように適切な制動が得られる。しかし、ブームがダンパに対する入力であるため、ダンパはブームと１８０度ずれた位相で振動し、この運動によりブームの運動が打ち消される傾向がある。ここでブームが共振外振動数で振動しており、ダンパがそのエネルギーのかなりの部分を吸収したため、ダンパ内の流体により、ブームの位置ずれは非常に小さくなり、効果的に制動される。
マス・ダンパは、粘度変化により変動する制動の変化に非常に感受性が高く、最も安定性のある非圧縮制流体でさえも温度の変化により粘度が大きく変化することから、変動する温度範囲にわたって動作すると、従来の技術のマス・ダンパの性能は低下する。ヒータを使用して温度を安定化することができるが、システムのサイズと重量が大きくなり、宇宙での使用では、ブームの端部にヒータを加えることは非常に困難である。マス・ダンパの温度を維持するためのヒータが使用できないと、制動は不安定である。従来の技術のダンパの別の欠点は、温度変化に応じて非圧縮性流体を受け取り、送るための伸張可能なチャンバまたはベローズを持たなければならないことに伴い、さらにサイズと重量が増えることである。
発明の簡単な説明
本発明は、従来の技術の非圧縮性流体の代わりに気体などの圧縮性流体または空気流体を使用するダンパを提供することにより、従来の技術の問題を克服する。気体は圧縮性であるため、別な伸張可能なチャンバの必要性がなくなる。マスのサイズとバネのバネ定数は、所望の制動振動数が得られるように選択する。気体の圧力は、気体の密度とマスを通る通路の制限の幾何形状との組み合わせにより、所望の制動が得られるように選択する。気体の運動粘度はその気体の密度と温度に応じて変化するが、気体が容器内に密封されると、その体積は変化できず、したがって、その密度は一定に維持される。ここで、温度により気体の圧力と粘度のみが変化する可能性があるが、圧力の変動は制動に大きな影響は与えない。理想気体の粘度変化は絶対温度の平方根に応じて変動し、大部分の一般的な気体では理想気体と約５％しか違わない。この結果、非圧縮性流体と比べ、制動の変動は非常に小さくなる。
気体の圧縮性によりシステムにスプリング力が加えられ、これは考慮に入れる必要がある。気体の圧縮性によりスプリング力が生じ、その結果、振動の振幅に応じて制動が増加するが、この非直線性は、振幅の大きな振動では大きな制動とし、振幅の小さな振動では小さな制動とするための利点となる。より大きな制動ではエネルギーがより分散され、そのため、振幅の大きな振動のための整定時間が短縮され、これは望ましい。振幅の小さな振動で制動が大きいと、マスが動かなくなり、ダンパが機能を停止する可能性があるため、小さな振幅では小さな制動が望ましい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、非圧縮性流体を使用するダンパの例を示しており、
第２図は、圧縮性流体を組み込んだ本発明のダンパの実施形態を示しており、
第３図は、温度によるさまざまな流体の粘度の変動を示すグラフである。
好ましい実施形態の詳細な説明
第１図に、１９９６年１月２５日に出願し、本発明の被譲渡人に譲渡された本出願人の同時係属出願０８／５９１９２２に記載され、その請求項に記載されたものと同様のマス・ダンパ８を示す。ダンパ８は、円筒状容器またはシリンダ１２に摺動可能に設けられた中空の可動なマス１０を含み、従来の手段でシリンダ１２に固定された第１端部部品１４を有し、流体の損失を防止するようにゴメット１６で密封されている。第２端部部品１８はシリンダ１２の凹部２０の第２端部で固定されている。シリンダ１２および端部部品１４および１８がチャンバ２２を形成し、チャンバ２２の内部ではマス１０が前後に動くことができる。
バネ定数が予め決められているバネ３０は、その一端が端部部品１４の突出部３２に、他端がマス１０の凹部３４に固定されて、マス１０のサイズおよびバネ３０のバネ定数により決定される振動数でマス１０がチャンバ２２内を水平方向に振動させる力がかかるようにマスをバネ３０で支持する。
第１端部部品１４は充填ポート３６を有しており、矢印３８で示すように、充填ポート３６から非圧縮性制動流体をチャンバ２２に導入することができる。充填後、ポート３６を従来の方法で封止する。
シリンダ１２の第２端部では、凹部２０内に熱膨張ベローズ４０が一端を端部部品１８の突出部４２に、他端を封止部材４４に接続されるように取り付けられている。端部部品１８は小さな開口部４８を有しており、この開口部を介してベローズ４０の内部とチャンバ２２が連通している。この結果、流体がチャンバ２２からベローズ４０の内部へと移動し、温度変動下で非圧縮性流体の膨張と収縮を吸収する。
第１図の装置の１つの用途では、ダンパは、例えば、第１図に参照番号５０で示されるブームの望ましくない振動を補償するために使用することができる。この望ましくない振動はブームの長さに対して直角方向であり、従って、マス１０は同じ方向、すなわち、第１図で右から左へ動くのが望ましい。従って、ダンパ８は破線５２および５４で示すようにブーム５９に対して水平方向に設けられているのが示されており、上記のように、マス１０はブームと１８０度ずれた位相で振動し、このブームの動きを打ち消すのに役立つ。
多くの用途では、第１図の装置は満足に機能するが、宇宙での用途でのような大きな温度変動が起こる場合に、非圧縮性流体の粘度は大きく変動する。第３図は、温度によるいくつかの非圧縮性流体の絶対粘度の変動を示しており、曲線６０（ひまし油）、曲線６１（ＳＡＥ３０オイル）、曲線６２（水）および曲線６４（ガソリン）で示されるように、これらの変動は比較的大きい。この結果、非圧縮性流体を使用すると、マス・ダンパの制動に望ましくない変化が生じる。
第１図のダンパの別な難点はサイズと重量が大きいことであり、これは温度の変動による流体の膨張を補償するために伸張可能なベローズ４０を有するために必要となる。これらの問題は第２図の改良により克服される。
第２図には、円筒状容器またはシリンダ１１２に摺動可能に設けられた可動なマス１１０を含み、従来の手段でシリンダ１１２の右端部に固定された第１円筒状末端部品１１４を有するマス・ダンパ１０８（これは第１図と同様にビームに取り付けることもできるが、単純化するために第２図では示していない）を示している。バネ１１６はマス１１０の凹部１１８に固定された第１端部と、端部部品１１４の凹部１１９に固定された第２端部を有する。端部部品１１４にはポート１２２があり、矢印１２６で示すように、ポート１２２はそこを通って、圧縮性気体をダンパに充填するために使用される。充填後、ポート１２２は従来の方法で封止する。
円筒状容器１１２は従来の手段でシリンダ１１２の左端に固定されている第２の円筒状端部部品１３０を有しており、バネ１３４はマス１１０の凹部１３６に固定された第１端部と、末端部品１３０の凹部１３８に固定された第２端部を有する。マス・ダンパの機能に影響を与えることなく、第１図と同様に、マス１１０を１つのバネに取り付けることもできることに留意されたい。第２図では、マス１１０はその左側と右側の間に伸びる制限オリフィス１５０を有していることが示されており、そこを通る気体の通過を制限することができる。マス１１０およびバネ１１６および１３４のバネ定数は、設置する特別な用途に適した振動の振動数、例えば、取り付けるブームの振動数を有するように選択する。気体のスチフネス（気体の剛性）は気体と接触するマスの面積と気体の体積および圧力の関数であり、種々の振幅の振動について計算できる。宇宙での用途で使用される精密な機器では、低いブーム振動の振幅で最良の制動が得られることが通常望ましいため、変数（マス、バネ定数、気体のスチフネス）はこれらの低い振幅で最良の制動が得られるように選択する。より高い振幅では、制動が大きくなり、これは、上記のように、望ましい特徴である。
空気または窒素などの気体をポート１２２を介して挿入し、次いで、シリンダを封止する。それだけで、シリンダ１１２中の空気の体積は変化することはできず、従って気体の密度も変化できない。圧力の変化は制動に大きな影響を与えないので、温度による制動特性の唯一の変化は温度が気体の粘度を変化させたときに生じる。第３図の曲線１６０で示すように、曲線６０〜６３で示される非圧縮性流体と比較し、温度変化による空気（または空気の主成分である窒素）の粘度の変動は非常に小さい。装置が広範な温度変動に曝露されたときでさえも、制動の変化は非常に小さい。他の気体は異なる粘度を有する可能性があるが、一般に曲線１６０と同様に平らな曲線を有する。ヘリウムは粘度が非常に低く、非常に小さな制動が望ましいときに使用できる。
しかし、気体が圧縮性であり、マス１１０がシリンダ１１２内を動くときには、それ自身でスプリング力を生じる。上記のように、この力は予想でき、システム設計に際して考慮に入れることができる。また、マス１１０の運動の振幅に応じて制動は大きくなるが、振幅が小さいときには制動は小さい方が望ましい。
同時継続出願を参照して上に述べたように、マス１１０の運動の摩擦を低下させるには、例えば１つのトラフ当たり１つのボールを使用して、複数のトラフ（溝）１７４に複数のボール１７０を使用することができる。しかし、これらの使用は本発明のダンパでは通常重要ではない。しかし、ボール１７０を使用すると、装置は完全に自動調心となり、運動が予期した限界まで低下したときに、ボールは中心まで動き、第２図に示す位置で静止する。この特徴により、装置は、マスの摩擦を最小にして、システムから最大量のエネルギーを確実に除去する。ボールの使用により、マス１１０とシリンダ１１２の間の滑り摩擦がなくなる。１つのボールを使用したときには、ボール間の摩擦はない。
したがって、従来のマス・ダンパと比較して、温度変化による影響が少なく、単純で、小型で、軽量なダンパであって、望ましくは、より大きな振幅の振動ではより大きく制動し、より小さな振幅の振動ではより小さく制動するダンパが提供されることが明らかとなる。本発明を好ましい実施形態を参照して記述していたが、当業者には、本発明の精神および範囲を逸脱することなく形状や詳細を変えることができることは理解されよう。例えば、圧縮性気体として空気／窒素を使用したが、他の気体も使用できる。さらに、制動すべき振動が複数の面で発生するときには、振動する部材の他の面に２つ以上のダンパを設けることもできる。

Claims (5)

1. シリンダ内部への圧縮性流体の導入を可能にする充填ポートを有する第１端部およびシリンダ内部を密封する第２端部を有する中空シリンダと、
   第１端部および第２端部ならびにシリンダの内表面より小さな外表面を有し、圧縮性流体を受け入れる第１チャンバと第２チャンバを構成するようにシリンダの内部に配置されたマスと、
   マスの第１端部の近くのその外表面にあり、予め決めた長さの少なくとも３本の溝の第１セットと、マスの第２端部の近くの外表面にあり、予め決めた長さの少なくとも３本の溝の第２セットと、
   実質的に摩擦をなくし、シリンダ内でのマスを自立調心させるように、第１セットと第２セットの各溝に配置され、シリンダの内表面に対して支持された１つのボールと、
   マスをシリンダに取付け、該シリンダの第１端部と第２端部の間でのマスの振動運動を可能にするスプリングと、
   第１チャンバと第２チャンバとをつなぎ、第１チャンバと第２チャンバの間の圧縮性流体の制限的流動を可能にする制限導管手段と
   を含むマス・ダンパ。
2. ブームにダンパを固定する設置手段をさらに含み、前記マスのサイズと前記スプリングのバネ定数を調整して、前記ブームの望ましくない振動によって、該振動と同じ振動数で、１８０度ずれた位相の振動運動を前記マスに起こさせ、望ましくない振動の制動が得られるよう構成した請求項１に記載の装置。
3. 側部部分と端部部分を有する容器と、
   容器の側部部分の近くにある外表面と、第１端部と第２端部を有するマスであって、端部部分の間を振動運動できるように前記容器内に配置されたマスと、
   マスの第１端部の近くで、その外表面に設けた予め決めた長さの少なくとも３本の溝の第１セットと、マスの第２端部の近くで、その外表面に設けた予め決めた長さの少なくとも３本の溝の第２セットと、
   実質的に摩擦をなくし、シリンダ内でのマスを自立調心させるように、第１セットと第２セットの各溝に配置され、シリンダの内表面に対して支持された１つのボールと、
   第１端部とマスに接続された第１のバネ手段と、
   第２端部とマスに接続された第２のバネ手段と、
   マスがシリンダの内部を動くときの制動となるマスを囲むシリンダの内部の圧縮性流体であって、前記圧縮性流体がマスの運動に対して非直線性の抵抗を生じ、所望の予め決めた振動数の振動運動をするように、非直線性抵抗の量と、第１のバネ手段と第２のバネ手段のバネ定数と、マスのサイズとを選択する圧縮性流体と、
   端部部分を接続して、その間の圧縮性流体の制限的な流動を可能にする制限通路であって、適切な制動が得られるように、圧縮性流体の粘度と通路手段の制限性を選択する制限通路と
   を含む、ダンパを取り付ける部材の振動運動を制動するのに使用するマス・ダンパ。
4. 容器中にバネで配置され、第１の容器端部と第２の容器端部との間で振動できるようになっているマスを有するマス・ダンパの制動を変化させる方法であって、
   Ａ．容器の内表面に接する各溝内に１つのボールを有するマスの端部の回りに設けられた複数の溝を用いて、実質的に摩擦をなくし、シリンダ内でのマスを自立調心させるステップと、
   Ｂ．容器に圧縮性流体を充填して、マスの振動の際に、振動の振幅に応じて、流体が運動に対して異なる抵抗を与えるステップと、
   Ｃ．マスを通る制限通路で圧縮性流体の流通を制限するステップと
   を含む方法。
5. マスの振動の振動数が、第１の振幅では第１の予め決めた値となり、第１の振幅より大きな第２の振幅では第１の予め決めた値より大きな第２の予め決めた値となるように圧縮性流体を選択するステップを
   さらに含む請求項４に記載の方法。

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