JP5598084B2

JP5598084B2 - 回転シャフト用の弾性くさびダンパ

Info

Publication number: JP5598084B2
Application number: JP2010115900A
Authority: JP
Inventors: ハビエルバヨッドホセ
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: JP2011241935A

Description

本発明は、高速回転する回転シャフト用の弾性くさびダンパに関する。

本発明において、「回転シャフト」とは、ジェットエンジン、ターボ機械（ガスタービン、ターボチャージャー）、その他の回転機械で用いられ、軸心を中心に回転するシャフトを意味する。

振動する機械装置の振動を減衰する手段として、ダンパ装置が広く知られている。また、ダンパ装置は、粘弾性ダンパ、粘性ダンパ、摩擦ダンパ、マスダンパ、慣性力ダンパ、等に大別することができる。
このうちマスダンパは、質量体の振動を逆利用して、機械装置の振動を消去するものであり、他のダンパ装置と比較して構造が簡単である利点がある。

マスダンパの一種として、音響ブラックホール効果（ＡｃｏｕｓｔｉｃＢｌａｃｋＨｏｌｅＥｆｆｅｃｔ）を利用した弾性くさびダンパ（ＥｌａｓｔｉｃＷｅｄｇｅｄａｍｐｅｒ）が例えば非特許文献１に開示されている。

弾性くさび（ＥｌａｓｔｉｃＷｅｄｇｅ）とは、くさび形の弾性体を意味する。曲げ振動について、弾性くさびの厚さが次第に薄くなると振動波の速度を遅くなり、厚さがゼロ（０）になると振動波の速度がゼロになるので振動波は反射されない。すなわち、弾性くさびは、「音のブラックホール」として機能し、その結果、振動エネルギは厚さがゼロの端部に集まるのでそのエネルギを減衰しやすくなる。
しかし、実際には、厚さがゼロの端部を有する弾性くさびの製造は困難であり、反射はゼロ（０）にならない。そこで、非特許文献１ではその反射を低減するため、弾性くさびの端部に減衰材料を貼り付けている。

上述した弾性くさびダンパは、マスダンパと同様に構造が簡単であり、かつマスダンパよりも厚さが薄く、軽量化できる利点がある。
なお、くさび形の弾性体を用いた振動又は音響の低減手段は、例えば特許文献１，２にも開示されている。

Ｖ．Ｖ．Ｋｒｙｌｏｖ＆Ｒ．Ｅ．Ｔ．Ｂ．Ｗｉｎｗａｒｄ，"Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｂｌａｃｋｈｏｌｅｅｆｆｅｃｔｆｏｒｆｌｅｘｕｒａｌｗａｖｅｓｉｎｔａｐｅｒｅｄｐｌａｔｅｓ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ３００（２００７）４３−４９

特開２０００−４３２５２号公報、「インクジェットプリンタ用の印字ヘッド」特表２００８−５３２９１７号公報、「音響を低減させる楔形ポリマー中間層」

図１は、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの模式図である。この弾性くさびダンパは、非対称２次元くさび状ダンパ（ｎｏｎ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃｑｕａｄｒａｔｉｃｗｅｄｇｅ−ｌｉｋｅｄａｍｐｅｒ）である。この図において、５１は弾性くさび、５２は振動吸収膜（ａｂｓｏｒｂｉｎｇｆｉｌｍ）、５３は弾性くさび５１と一体の厚板部である。
非特許文献１で実験に使用した弾性くさび５１の寸法は、長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さは厚板部５３で４．５ｍｍ、最小厚さ０．０２ｍｍである。厚さｈ（ｘ）は、先端からの距離ｘに対し、ｈ（ｘ）＝εｘ^２・・・（Ａ１）の関係である。ここで、εは正の定数である。
また、振動吸収膜５２はポリマー膜であり、寸法は弾性くさび５１の寸法と同じ（長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ）であり、厚さは０．２ｍｍであった。

この実験結果から、５００Ｈｚ〜１８０００Ｈｚの広帯域において、振動ピークの減衰効果が認められ、特に高周波数と中周波数において大きな減衰（振動エネルギの低減）が得られることが確認されている。

上述したように、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパ（試験板）の厚さは、理論式（Ａ１）に基づき、４．５ｍｍから０．０２ｍｍまでであった。しかし、理論式（Ａ１）に基づき厚さを０ｍｍ近く（この例で０．０２ｍｍ）まで加工することは、極めて困難であり、これを達成するためには、特別な加工機械、或いは特別な方法が不可欠である。そのため、非特許文献１に開示された弾性くさびの製造は、実質的に不可能であるか、可能であっても非常に高価であった。

一方、ジェットエンジンなどの回転シャフトは、アンバランスにより振動し、その振動によりシャフトを支持する軸受等が破損する可能性がある。そのため、回転シャフトの実用回転速度はその振動共振速度で制限される。
従来、振動共振速度における振動を低減するために、軸受にフィルムダンパなどの減衰装置を用いているが、その構造は複雑である。
また、回転シャフトを支持する軸受には、振動共振速度において過大なラジアル荷重が作用するが、そのラジアル荷重を低減する手段がなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、容易に製造可能であり、軸受に減衰装置を用いることなく、振動共振速度における振動を低減し、かつ軸受に作用するラジアル荷重を低減することができる回転シャフト用の弾性くさびダンパを提供することにある。

本発明によれば、軸方向に間隔を隔てた２点で支持され軸心を中心に回転する回転シャフトの一端又は両端に同心に設けられ、前記軸心に対して対称な形状を有し、
前記形状は、前記回転シャフトの端面より外側の仮想点からの距離ｘにおける直径ｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）である、ことを特徴とする回転シャフト用の弾性くさびダンパが提供される。

上述した本発明の構成によれば、回転シャフトの一端又は両端に同心に設けられた弾性くさびダンパが、回転シャフトの軸心に対して対称な形状を有するので、弾性くさびダンパにより軸心まわりのアンバランスが発生せず、回転シャフトの高速回転が可能である。

また、前記形状が、弾性くさびダンパの理論に基づく形状をしているので、その形状により振動エネルギが弾性くさびダンパの先端部に集中するため、弾性くさびダンパにより回転シャフトの変形モードを調整でき、回転シャフトの支持位置における反力を低減できることが後述するコンピュータ解析により確認された。

非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの模式図である。本発明による回転シャフト用の弾性くさびダンパの模式図である。本発明のくさびダンパ部の厚さ、速度、及び振幅を示す図である。実施例における振動特性の解析結果である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明による回転シャフト用の弾性くさびダンパの模式図である。

図２（Ａ）に示すように、本発明が対象とする回転シャフト１は、軸方向に間隔を隔てた２点の軸受２、３で支持され、回転シャフト１の軸心Ｘ−Ｘを中心に回転する。
ここで、回転シャフト１の全長をＬ_１、回転シャフト１の両端から軸受２、３までの距離をＬ_２とする。また、回転シャフト１の中央には、質量Ｍ、慣性モーメントＩの円盤４が取り付けられているものとする。

図２（Ｂ）は、回転シャフト１の右端部の拡大図である。この図に示すように、本発明の弾性くさびダンパ１０は、回転シャフト１の一端（この例で右端）に同心に設けられ、軸心Ｘ−Ｘに対して対称な形状を有する。

図２（Ｃ）は、仮想点１２からの距離ｘにおける直径ｈ（ｘ）を示す模式図である。なおこの図は、図２（Ｂ）に対し左右反対に示している。

図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、本発明の弾性くさびダンパ１０の形状は、回転シャフト１の端面１１より外側の仮想点１２からの距離ｘにおける直径ｈ（ｘ）は、以下の式（Ａ２）（Ａ３）で表される。
ここで、εは正の定数、ｎは１以上の実数である。

ε＜＜（３ρω^２／Ｅ）^０．５・・・（Ａ２）
ｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ・・・（Ａ３）

図３は、本発明の弾性くさびダンパ１０の直径、速度、及び振幅を示す図である。

図３（Ａ）において、弾性くさびダンパ１０は、回転シャフト１の端面１１より外側の仮想点１２からの距離ｘにおける直径ｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^２（εは正の定数）になっている。
なお、本発明はこの関係に限定されず、ｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）の関係であればよい。

弾性くさびダンパ１０における振幅Ａ（ｘ），伝播速度Ｃｐ（ｘ）は数１の式（１）〜式（４）で示される。ここで、ｎは１以上の実数、Ａ_０は入力振幅（振動伝播部から伝播される振動の振幅）、ωは周波数、ｋは波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）、ρは密度、Ｅはヤング率である。

式（１）〜式（４）から、弾性くさびダンパ１０における伝播速度Ｃｐ（ｘ）と振幅Ａ（ｘ）は、図３（Ｂ）（Ｃ）のようになる。

図３（Ｃ）に示すように、振動エネルギは弾性くさびダンパ１０の薄肉部分（先端部近傍）に集中する。

図２（Ａ）に示した回転シャフト１のモデルにおいて、以下の４通りのケースについて、コンピュータを用いて振動解析を実施した。
ケース１：従来例、軸受２、３における減衰なし。
ケース２：従来例、軸受２、３における減衰あり。
ケース３：本発明、弾性くさびダンパ１０の減衰なし。
ケース４：本発明、弾性くさびダンパ１０の減衰あり。

なお、回転シャフト１のモデルにおいて、Ｌ_１＝１０００ｍｍ、Ｌ_２＝１００ｍｍ、Ｍ＝６０ｋｇ、Ｉ＝１．５×１０^４ｋｇ．ｃｍ^２とした。また、回転シャフト１の外径を３００ｍｍ、内径を２９６ｍｍとした。

図４は、実施例における振動特性の解析結果である。この図において、（Ａ）は、従来例（ケース１、２）の場合、（Ｂ）は本発明（ケース３、４）の場合である。
また各図において、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は回転シャフト１の軸受３（図２（Ａ）で右側）に作用するラジアル荷重（Ｎ）である。また、図中の実線は「減衰あり」の場合、破線は「減衰なし」の場合である。

図４（Ａ）（Ｂ）の比較から、高速側の振動共振速度は、従来例（Ａ）が約９４５Ｈｚ、本発明（Ｂ）が約７９５Ｈｚであり、本発明により高速側の振動共振速度が低速側にシフトしていることがわかる。
また、高速側の振動共振速度におけるラジアル荷重は、従来例（Ａ）が約１０^４Ｎ、本発明（Ｂ）が約１０^２Ｎであり、本発明により高速側の振動共振速度におけるラジアル荷重が大幅に低減されていることがわかる。

図４（Ａ）（Ｂ）における実線（減衰あり）と破線（減衰なし）との比較から、減衰は必須ではなく、減衰なしでも、従来例と比較して本発明により高速側の振動共振速度におけるラジアル荷重を大幅に低減できることがわかる。

この理由は、また、弾性くさびダンパの形状が、理論に基づく形状をしているので、その形状により振動エネルギが弾性くさびダンパに集中するため、回転シャフトの変形モードを調整でき、回転シャフトの支持位置における反力を低減できるためと考えられる。

なお、上述した例では、弾性くさびダンパ１０を、回転シャフト１の一端（図２（Ｂ）の例で右端）のみに設けた場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、両端に設けてもよい。
また、上述した例では、弾性くさびダンパ１０を、回転シャフト１の一端の軸方向外側に設けたが、回転シャフト１が中空シャフトである場合に、軸方向内側に設けてもよい。この場合、弾性くさびダンパ１０の先端部が振動するが、その振動により先端部が中空シャフトの内面に接触しないように設定するのがよい。

上述したように本発明の構成によれば、回転シャフト１の一端又は両端に同心に設けられた弾性くさびダンパ１０が、回転シャフト１の軸心に対して対称な形状を有するので、弾性くさびダンパ１０により軸心まわりのアンバランスが発生せず、回転シャフト１の高速回転が可能である。

また、回転シャフト１の形状が、弾性くさびダンパの理論に基づく形状をしているので、その形状により振動エネルギが弾性くさびダンパ１０の先端部に集中するため、弾性くさびダンパ１０により回転シャフト１の変形モードを調整でき、回転シャフト１の支持位置における反力を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１回転シャフト、１ａ一端、
２、３軸受、４円盤（回転負荷）、
１０弾性くさびダンパ、
１１端面、１２仮想点

Claims

軸方向に間隔を隔てた２点でラジアル荷重が支持され軸心を中心に回転する回転シャフトの一端又は両端に同心に設けられる回転シャフト用の弾性くさびダンパであって、
回転シャフトの端面から前記軸心の方向に先端まで延び、前記軸心に対して対称な形状を有し、
前記形状は、前記回転シャフトの前記端面より外側の仮想点からの距離ｘにおける直径ｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であり、
前記先端が自由端になっている、ことを特徴とする回転シャフト用の弾性くさびダンパ。