JP4297978B2 - 重負荷振動絶縁装置 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、基本装置に取り付けられて、荷重を基本装置の振動から絶縁する働きをする改善された装置に関し、特に、米国出願番号０８／７９０，６４７と国際出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９８／０１４０１とを有する１９９７年１月２９日に出願された荷重絶縁装置（「Ｌｏａｄ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」）と題するＤａｖｉｄ Ａ．Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇの同時係属中の出願（本発明の譲受人に譲渡されている）に記載されているような、システムのための新しい加圧機構を提供することに関する。同時係属中の出願では、並進方向には荷重と輸送手段との間に柔らかな減衰懸架システムを形成させ、また回転方向には荷重と輸送手段との間に堅い減衰懸架システムとする、新しい減衰概念が記載されている。本発明はシステムの安定性を改善し、損傷を防止する。
従来の技術の説明
上述の同時係属中のＯｓｔｅｒｂｅｒｇの出願は、自動車や試験機械など含むさまざまな分野に効用があるが、便宜上、同時係属中の出願と本出願を、発射用輸送手段などの基台の上に搭載された衛星などのペイロードの環境において記載する。同時係属中の出願では、ペイロードを重心で支持することは困難であることが多く、したがってペイロードを発射用輸送手段の端部に取り付けることが標準的であると説明されている。事前に使用されている取付け装置は、ペイロードにおけるジャイロや加速度計などの慣性測定ユニットの整列を維持するために、並進軸（すなわち発射軸、およびこれに直角をなす２つの軸）に沿ったペイロードの十分な運動を可能にするように、ばねまたはダンパーなどの弾性手段を含んでいる。しかしながら、取付け部は一端にあるので、ペイロードの底部における小さな回転運動は、限られた大きさの「ラトル・スペース（rattle space）」（すなわち、ペイロードと空力外部ケーシングとの間の空間）があるので、頂部において望ましくない大きな並進運動が結果的に生じる。したがって並進運動に対して軟化させ、回転運動に対して硬化させることが望ましい。
従来の技術では、ペイロードは、一般的には各自由度で適正な剛性をもたらすためにさまざまな角度で取り付けられる独立したばね／ダンパーによって支持されていた。このような構成では、各ばね／ダンパーユニットは互いに独立して作動する。別の取り組み方は、ペイロードの基台の周りに剛性と減衰を分散させなければならなかった。これらの絶縁システムの回転剛性は、ペイロードの重心偏りと基台（取付け円）全体の直径によって制限され、また一方で、ばね／ダンパーユニットの角度を変えることで適正な剛性の選択はいくらか自由になるが、結果は制限される。
同時係属中のＯｓｔｅｒｂｅｒｇの出願における発明は、対向する制動エレメントを独立して作動させるのではなく、交差結合して、並進では柔らかい減衰懸架をもたらし、回転では堅い減衰懸架をもたらすことによって従来の技術の問題を克服する。この発明はまた、導管中の流体の加圧を行い、熱膨張による過剰の流体を受け入れるために交差結合導管に連結されたアキュムレータも記載している。システムに予荷重圧力を与えることは、動的運動中にシステム内のキャビテーションを防止するために望ましい。回転力によって流体の圧力が上昇するときに、アキュムレータへの流体の流れによる回転制動のときの軟化を防止するために、アキュムレータへの導管は交差結合する導管よりも限定的にされた。正常ではこれは、ほとんどの回転力による圧力変化が温度変化による圧力変化よりもはるかに速いので、所望の効果を示し、正常な回転力によって生ずる急速な圧力変化の間に、アキュムレータに流れる流体は大量ではないが、もっと緩やかな温度変化中にも流体はなおアキュムレータに流れる。しかしながら、非常に緩やかな回転力がほぼ静的な条件で生じた場合でも、システムは堅い減衰をもたらすことが望ましい。またこの環境の下で、アキュムレータへの配管における拘束は、アキュムレータへの交差連結部から流体が流出することを防止せず、これは結果的に減衰の軟化となる。アキュムレータを完全に除去することはできるが（またアキュムレータを必要としない場合もあるが）、たいていの適用では、極端な温度変化または非常に大きな回転力による圧力、または回転力による圧力に加わった温度変化による圧力は、システムに構造的な破損を生じさせるほど高くなる可能性がある。
ドイツ出願公告公報の特許第１１７６６９３号は、２つの液圧テレスコープ形緩衝器を使用し、これらは交差連結されて２つの緩衝器の間の流体の流れが可能になる、鉄道安定化装置を記載している。
発明の簡単な説明
本発明は、ダンパーシステムからアキュムレータへの流体の流れを防止するための複数の一方弁を提供し、ダンパーシステムの中の圧力が所定の値を超過したときに、この圧力を瞬間的に開放して損傷を防止する高圧逃し弁を提供する。圧力逃し弁を通じて一時的に開放される流体は、システムからの流体の損失を防ぐようにアキュムレータへ戻すこともでき、この開放は非常に短いので、回転力に対してシステムを軟化させる働きはしない。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図と第１ｂ図は、輸送手段とペイロードとの間の絶縁部分の上面図と側面図である。
第２図は、本発明による交差結合装置の図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
第１ａ図と第１ｂ図は、複数の振動絶縁物すなわちダンパー２０〜２７を含む振動絶縁部分３９によって分離された、輸送手段１２によって支えられている荷重１０を示している。輸送手段１２はミサイルのブースタ・ロケットの場合もありうる。また荷重１０はペイロードまたは衛星であってもよい。各ダンパー２０はそれぞれ、第２図を参照してさらによく説明するように、ピストンによって分離された第１チャンバと第２チャンバとを有する。第２図に示すように、また上述の同時係属中のＯｓｔｅｒｂｅｒｇの出願に示すように、ダンパー２０〜２７の各々は、これに並んで連結されたばねを有し、それにより所望の剛性を与えるが、これらのばねは混乱を避けるために第１ａ図と第１ｂ図には図示しない。第１ａ図と第１ｂ図には矩形に配置された８個のダンパーを図示したが、望みの個数のダンパーを使用して、どのようなパターンにも配置できることを理解されたい。荷重１０を所定の通りに支持するためには、三角パターンまたは六角パターンに配置された最少限６個のダンパーが必要であろう。
ダンパー２０、２１は共に共通点３０で荷重１０に連結され、ダンパー２１、２２は共通点３１において輸送手段１２に連結され、ダンパー２２、２３は共通点３２において荷重１０に連結され、ダンパー２３、２４は共通点３３において輸送手段１２に連結され、ダンパー２４、２５は共通点３４において荷重１０に連結され、ダンパー２５、２６は共通点３５において輸送手段１２に連結され、ダンパー２６、２７は共通点３６において荷重１０に連結され、ダンパー２７、２０は共通点３７において輸送手段１２に連結されている。隣接するダンパーのピストンに連結された各ダンパーのピストンを図示しているが、これらの連結部を独立させて個々の点において荷重１０と輸送手段１２に連結することができる。各ばね／ダンパーは、第１ｂ図の側面図で見ると輸送手段１２と荷重１０との間で角度αにあり、また第１ａ図の上面図で見ると輸送手段１２と荷重１０との間で角度θにある。角度αとθとを調節することによって、回転軸と並進軸におけるさまざまな剛性と減衰の比を調節することができる。残念ながら、ダンパーの角度を変えることによっては、回転軸の周りの剛性と減衰は極めてわずかに制御できるのみであり、またダンパーを小さな取付け円としたり、大きな取付け円となるように間隔をとって離すことによってさらによく回転の剛性と減衰を調節できると同時に、これはシステムの空間要件を変える。
本発明では、交差結合導管４０〜４７が供給されて、対向して置かれたダンパーチャンバの間で流体が流れるようにし、アキュムレータ４９が第２図でよくわかるように連結部によって各交差結合導管に連結されている。
第２図には、一例として対向して置かれた２つのばね／ダンパー２１、２６を示すが、ばね／ダンパーの各々と第１ａ図、第１ｂ図におけるその対向して置かれた片方も、同様に相互連結されている。第２図には、第１すなわち上部チャンバ５０と第２すなわち下部チャンバ５２とを有するダンパー２１が示され、ピストン５４によって分離されている。第１ピストン・ロッド５６はピストン５４からダンパー２１の外部に上向きに延び、外部でピボット５７によって点３０（第２図には図示せず）で荷重１０に連結されることになる。第２ピストン・ロッド５８はピストン５４からダンパー２１の外部に下向きに延び、外部では何にも連結されていない。ピストン・ロッド５８の目的は、第１チャンバ５０と第２チャンバ５２において流体に露出された同じ面積を有する区域を、ピストン５４の下部表面に準備することである。これによってピストン５４は、ピストン・ロッド５６がダンパー２１の中または外へ移動したときに、両チャンバ５０、５２の中に（記号は逆であるが）同じ容積の非圧縮性流体を入れ替えることができる。
ダンパー２１のハウジング５３は、他のピボット５７によって点３１（第２図には図示せず）で輸送手段１２に連結するために、下向きに延びた「Ｕ字」形構造物５９によって連結されて図示されている。
ダンパー２１の各端部にある上部すなわち第１ベローズ６０と下部すなわち第２ベローズ６２とを使用して、チャンバ５０、５２に対する流体シールを保って動けるようにする低圧ハーメチック・シールが示されている。導管６４はベローズ６０、６２のそれぞれの内部を結合している。この導管は流体の流れに対して比較的非制限的に選択される。高圧滑りシール（第２図には図示せず）は、低圧ハーメチック・シールを保護するもので、軸５６、５８がハウジング５３を通って突き出ている所に配置される。本発明の作動に影響することなく、滑り非ハーメチック・シールを含めて種々の別の密封技法が使用できることは理解されるであろう。高圧滑りシールはまたピストン５４とハウジング５３との間にも配置され、チャンバ５０からチャンバ５２への流体の流れを阻止している。第２図に、平行荷重経路の中にダンパー２１と共にばね６６が示されているが、このばねは静的剛性を与えている。ばねの配置を、本発明の作動に影響することはなく、同軸にすることも、また可撓性構造のように分散させることもできる。
ダンパー２６もダンパー２１と同じように配置されている。すなわち、ピストン７４によって分離された第１および第２チャンバ７０、７２と、ピボット７７を通じて点３６（第２図には図示せず）において荷重１０に連結するために上向きに延びたピストン７４に取り付けられたピストン・ロッド７６と、ピストン７４に取り付けられて、面積を等化するために下向きに延びたピストン・ロッド７８とを有する。ダンパー２６のハウジングを示すが、これは、他のピポット７７を通じて点３５（第２図には図示せず）において輸送手段１２に連結するために下向きに延びた「Ｕ字」形構造によって連結されている。上部すなわち第１ベローズ８０と下部すなわち第２ベローズ８２とを使用して、チャンバ７０、７２に対する運動伝達性流動シールを構成する低圧ハーメチック・シールが示されている。導管８４は、ベローズ８０、８２の内部を連結して、この間の流体の流れを可能にする。高圧滑りシール（第２図には図示せず）は低圧ハーメチック・シールを保護し、軸７６、７８がハウジング７３を通って突き出ている所に配置される。高圧滑りシールはまたピストン７４とハウジング７３との間にも配置され、チャンバ７０からチャンバ７２への流体の流れを阻止している。剛性を与えるために、ばね８６が平行荷重経路の中でダンパー２６に取り付けられている。ダンパー２６はダンパー２１と同じように作動する。
流体導管４２を第２図に示すが、これはダンパー２１の第１チャンバ５０とダンパー２６の第２チャンバ７２との間に連結されている。同様に導管４３を示すが、これはダンパー２１の第２チャンバ５２とダンパー２６の第１チャンバ７０との間に連結されている。アキュムレータ４９を示すが、これはハウジング９４とばね９８によって位置付けられるピストン９６を有し、システムを加圧するように働く加圧チャンバ１００をハウジング９４の中に形成している。アキュムレータ４９からのさらに制限的な導管１０１が、一方弁すなわちボール弁１０４、１０６を通じてそれぞれ導管４２、４３に連結されている。ボール弁１０４、１０６は連結されて、アキュムレータ４９から導管４２、４３の方向にのみ流体が流れるようにする。第１図における対向して位置する一対のダンパーの各々は、同じように連結されている。第１図では導管４０〜４７のすべてに連結された単一のアキュムレータ４９を図示したが、各々がさまざまな導管の対に連結された複数のアキュムレータも使用できることを理解されたい。すべての連結を行った後、システム内部を排出して非圧縮性流体で満たす。
輸送手段１２に対する荷重１０の並進運動は、第２図の２つのダンパー２１、２６に同じ方向と大きさの運動を起させることがわかる。例えば、ペイロード１０が輸送手段１２に対して上向きに動いた場合には、第２図のピストン・ロッド５６、７６はピストン５４、７４のように上向きに動く。この動きを適正に減衰するために、流体の粘性と管路４２、４３の長さおよび直径を選択することができる。後で説明するように、導管４２、４３の間を流れるか、または導管１０１を通って戻る流体は大量ではない。
上述と同じ作用が、第１ａ図と第１ｂ図の装置における対向して配置されたダンパーの各々によって発生するので、並進運動によって、導管４０〜４７の交差結合配置はペイロード１０のために望ましい減衰を行う。
一方、輸送手段１２に対する荷重１０の回転運動は、ダンパー２１、２６に互いに逆方向の運動を起させる。この運動はダンパーの角度およびペイロード１０の回転中心の位置に応じて同じ大きさであってもよく、また異なっていてもよい。例えば、第１ｂ図においてペイロード１０が点３７を通る図面に直角な線の周りに時計方向に回転する場合には、この動きは輸送手段１２に対して点３０を上昇させ、点３６を下降させる。これに応答して、ダンパー２１はピストン・ロッド５６とピストン５０とを上昇させようとし、ダンパー２６はピストン・ロッド７６とピストン７４とを下降させようとする。しかしながら、チャンバ５０、７２は管路４２に連結されて非圧縮性流体で満たされているので、この動きはチャンバ５０、７２内の流体圧によって抵抗を受ける。上述のように、アキュムレータ４９は導管１０１によって第１および第２一方弁すなわちボール弁１０４、１０６に連結されており、ボール弁の他の側は導管４２、４３にそれぞれ連結されているので、流体はアキュムレータ４９から導管１０１と弁１０４、１０６とを通って導管４２、４３にそれぞれ流れるだけである。ボール弁１０４、１０６は導管４２、４３からアキュムレータ４９への流体の流れを防止し、したがって、回転力がピストン５４、７４を互いに逆方向に動かすときに流体の漏洩と圧力の損失を防止する。これは、この回転がばねと液圧によって抵抗を受けるので、回転剛性を従来のシステムの回転剛性以上に増加させる。
上述と同じ作用が、第１ａ図と第１ｂ図の装置における対向して配置されたダンパーの各々によって発生するので、回転運動によって、導管４０〜４７の交差結合配置はペイロード１０に対する望ましい減衰を与える。
こうして配置されたシステムは、極端な条件はシステムの機械的構造には有害であるかもしれないが、温度の変化によるほとんどの正常な圧力増加に耐えることができる。またシステムは、ピストン５４、７４に作用する回転力によるほとんどの圧力増加に耐えることができる。ただ、異常に高い力はおそらく除かねばならないであろう。温度による膨張と回転力とが同時に起こると、温度による膨張と回転力による圧力との組合せは、圧力に関する所望の限界を超過することがある。極端な圧力によるシステムの構造的損傷を回避するために、一対の逃し弁すなわち「吐出し」バルブ１１０、１１２が、導管４２、４３とアキュムレータ４９との間に導管１１６によって連結されて示されている。吐出しバルブ１１０、１１２は、所定の圧力を超過したときに短時間の流れの放出が生じるように設定されている。吐出しバルブ１１０、１１２はまた、短時間の流体の流れが導管４２、４３からアキュムレータ４９へのみ生じるように、そしてアキュムレータ４９から導管４２、４３へは生じないように、矢印で示すように一方向として示されている。したがって、事前に設定された圧力を管路４２、４３のいずれかまたは両方で超過したときには、吐出しバルブは急速に少量の流体を管路１１６とアキュムレータ４９とに放出し、急速に圧力を低下させる。吐出しバルブ１１０、１１２は開いている短い時間は、システム内の圧力を大きく低下させるには十分ではなく、また回転力による減衰は大きくは軟化されない。
導管４２、４３、１０１の中の圧力を観察して監視することができるように、これらの導管に圧力指示計１２０、１２２、１２４を取り付けることもできる。さらにまた望むならば、手動式又は電子式弁（図示せず）をボール弁１０４、１０６と導管４２、４３との間にそれぞれ、ならびに吐出しバルブ１１０、１１２と導管４２、４３との間にそれぞれ連結し、システムに損傷を与える可能性のある圧力が発生しないとわかった場合には、バルブの作動を作動不能にする。
温度の変化によってベローズ６０、６２、８０、８２の中に発生する圧力がさまざまなベローズの膨張能力を超過すると予想される場合には、導管１３４、１３６によってそれぞれ管路６４、８４に連結された追加のアキュムレータ１３０、１３２を採用することもできる。コストを軽減するために、アキュムレータ１３０、１３２を組み合わせて単一のアキュムレータにすることもできる。
本出願人たちは、輸送手段とこれに取り付けられた荷重との間の振動を、並進振動を緩やかに減衰し、回転振動を堅く減衰するシステムを提供し、またその際、緩やかな回転振動が発生したときに堅い減衰圧力を失うことなく、さらにまた圧力にシステムを損傷させることないシステムを提供したことは明らかである。好ましい実施形態に関連して示した構造に対する多くの明らかな変化が、当業者には発生しよう。例えば、本出願人たちはピストン式のダンパーを説明したが、ベローズ式や他の形式のダンパーも採用することができ、また本出願人たちは矩形構成の８個のダンパーを説明したが、他の個数のダンパーも別の構成も採用することができる。また取付け部は必ずしも荷重の底に必要とせず、どこにでも、例えば重心に置くこともできる。同様に、ボール弁を他の一方形式の弁に取り代えてもよく、別の圧力逃し弁を採用してもよい。ボール弁と圧力逃し弁を、導管とアキュムレータとの間ではなくダンパーとアキュムレータとの間に連結することもできよう。前述のように、第１図の交差結合された一対のダンパーの各々が第２図に関連して示した例と同様に作動し、第２図に示すアキュムレータ４９が交差結合されたすべての対のダンパーに共通にすることもでき、または各対がそれ自体のアキュムレータを採用できることも理解されよう。同様にアキュムレータ１３０、１３２は単一アキュムレータにすることもでき、ダンパーのすべての対が単一アキュムレータを使用することもできる。したがって本出願人たちは、本発明の好ましい実施形態を説明するために使用した特定の構造に限定することは望まない。

Claims (6)

1. 第１および第２ダンパーであって、各々は流体遮断部材によって分離され、弁が取り付けられていない第１および第２の導管によって交差連結された第１および第２流体チャンバを有し、第１部材（１０）と第２部材（１２）間の並進運動に対しては第１の減衰を、第１部材（１０）と第２部材（１２）間の回転運動に対しては第１の減衰より大きい第２の減衰を行い、回転運動により一方のダンパーの第１流体チャンバと他方のダンパーの第２流体チャンバ内の、または、一方のダンパーの第２流体チャンバと他方のダンパーの第１流体チャンバ内の圧力が上昇する、第１および第２ダンパーと、
   システムのために流体加圧源となるアキュムレータと、
   第１および第２ダンパーとアキュムレータとの間に連結されて、アキュムレータから第１および第２ダンパーへの流体の流れを可能にして、チャンバ内に十分な圧力を維持し、回転運動によって発生する圧力上昇による第１および第２ダンパーからアキュムレータへの流体の流れを遮断する一方向流体流装置と
   を含む振動絶縁システム。
2. 第１部材（１０）と第２部材（１２）間の並進運動が、第１部材（１０）と第２部材（１２）間の回転運動よりも少なく減衰されるようにする減衰装置であって、
   複数のダンパーであって、各ダンパーは、第１および第２流体チャンバのうちの一つの膨張が第１および第２流体チャンバのうちの他の一つの収縮を伴うように連結された膨張可能な第１および第２流体チャンバを有し、各ダンパーは第１および第２外部コネクタを有し、各ダンパーの第１外部コネクタは他のダンパーの第１外部コネクタに連結されて複数の第１支持連結部（３０、３２、３４、３６）を形成し、各ダンパーの第２外部コネクタは他のダンパーの第２外部コネクタに連結されて複数の第２支持連結部（３１、３３、３５、３７）を形成する、複数のダンパーと、
   複数の第１支持連結部を第１部材に連結し、複数の第２支持連結部を第２部材に連結して、第１部材と第２部材との間に減衰支持部を形成する手段と、
   複数の流体導管であって、このうちの第１流体導管は、第１ダンパーの第１膨張可能チャンバを第２ダンパーの第２膨張可能チャンバに接合して、これらの間に流体の流れを可能にし、第２流体導管は、第２ダンパーの第１膨張可能チャンバを第１ダンパーの第２膨張可能チャンバに接合して、これらの間に流体の流れを可能にし、こうして第１部材と第２部材との間の第１並進運動によって、第１および第２ダンパーの第１膨張可能チャンバは両方とも膨張し、また第１および第２ダンパーの第２膨張可能チャンバは両方とも収縮し、第１部材と第２部材との間の第１回転運動によって、第１ダンパーの第１膨張可能チャンバと第２ダンパーの第２膨張可能チャンバは両方とも膨張し、また第１ダンパーの第２膨張可能チャンバと第２ダンパーの第１膨張可能チャンバは両方とも収縮する複数の流体導管と、
   第１および第２ダンパーのそれぞれの第１および第２流体チャンバのための加圧流体源を準備する流体リザーバと、
   第１および第２ダンパーのそれぞれの第１および第２流体チャンバとリザーバとの間に連結されて、リザーバからシステムへの流体の流れを可能にし、システムからリザーバへの流体の流れを防止する一方弁装置と
   を含む減衰システム。
3. 発射軸に沿って動くことのできる発射用輸送手段にミサイルのペイロードを取り付けて、ペイロードがペイロードと発射用輸送手段との間の並進運動に対しては第１の減衰で応答するが、ペイロードと発射用輸送手段との間の回転運動に対しては第１の減衰より大きい第２の減衰で応答するようにする装置であって、
   少なくとも６個の複数のダンパーであって、各ダンパーは、ハウジングと、ハウジングを第１および第２可変容量チャンバに分離する接合装置とを含み、各ダンパーはペイロードと発射用輸送手段との間に発射軸に対して角度をなして連結されて、これらの間に減衰支持を形成させ、発射軸に沿って見ると、ダンパーは発射軸の周りに閉じた幾何学的形状を形成してペイロードと発射用輸送手段との間でそれらを支持している複数のダンパーと、
   複数の流体導管であって、各流体導管は各ダンパーにおける第１および第２チャンバをこの幾何学的形状の互いに対向して位置する他の各ダンパーにおける第２および第１チャンバに対に交差接合し、並進力が発射軸に沿って生じたときには、各ダンパーの第１チャンバの容積は一方向に変化して、その結果、その反対側に配置されたダンパーの第２チャンバの中の流体が反対方向に容積を変化させて第１の減衰をもたらし、また、ペイロードと発射用輸送手段との間の回転力が生じたときには、各ダンパーの第１チャンバの容積は一方向に変化して、その結果、その反対側に配置されたダンパーの第２チャンバの中の流体が同じ方向に容積を変化させて第２の減衰をもたらす複数の流体導管と、
   加圧流体源と、
   加圧流体源を流体ダンパーに連結して、加圧流体源からダンパーへの流体の流れを可能にし、ダンパーから加圧流体源への流体の流れを遮断する一方向流体流装置と
   を含む、ペイロードを取り付けるための装置。
4. アキュムレータと第１および第２ダンパーとの間に連結された圧力放出装置をさらに含み、システムの圧力が所定の値を超過したときに、前記圧力放出装置が第１および第２ダンパーからの流体の短時間の流れを可能にする請求項１に記載の振動絶縁システム。
5. 第１および第２ダンパーのそれぞれの第１および第２流体チャンバと流体リザーバとの間に連結されて、中の圧力が所定の値を超過したときに第１および第２ダンパーのそれぞれの第１および第２流体チャンバからの流体の短時間の流れを可能にする圧力放出装置を含む請求項２に記載の装置。
6. 加圧流体源とダンパーとの間に連結されて、ダンパーから加圧流体源への短時間の流体の流れを可能にする圧力放出装置をさらに含む請求項３に記載の装置。

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