JP6580457B2

JP6580457B2 - 回転慣性質量ダンパ

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Publication number: JP6580457B2
Application number: JP2015212777A
Authority: JP
Inventors: 義仁渡邉; 量司友野; 卓聖中村; 中村　誠; 誠中村
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: WO2017073420A1; CN108138894A; TW201738479A; US20180305922A1; EP3369961A4; EP3369961A1; US10508439B2; CN108138894B; TWI703283B; JP2017082932A

Description

本発明は、建物等の構造物に取り付けられて、当該構造物に作用する振動を低減するための回転慣性質量ダンパに関する。

回転慣性質量ダンパとしては特許文献１に開示されたものが知られている。この回転慣性質量ダンパは、螺旋状の雄ねじを有すると共に一端が構造物に固定されたねじ軸と、このねじ軸に螺合するナット部材と、前記ナット部材を回転自在に支承すると共に構造物に固定される外筒と、前記ナット部材によって回転を与えられる付加錘とを備えている。

地震等によって前記構造物に生じた相対振動を前記ねじ軸と前記外筒との間に入力すると、当該振動に伴って前記ねじ軸には軸方向加速度が生じ、この軸方向加速度は前記ねじ軸に螺合する前記ナット部材の角加速度に変換される。この角加速度は前記ナット部材に搭載された前記付加錘に伝達され、これらナット部材及び付加錘には回転が生じる。前記ナット部材及び前記付加錘は一体となって回転体を構成し、当該回転体に生じる回転トルクは、当該回転体の慣性モーメントと前記角加速度の積で表される。そして、この回転トルクは、前記ねじ軸の軸方向加速度が反転する度に、前記ナット部材及びねじ軸によって逆変換されて、当該ねじ軸に対して軸方向反力として作用することになる。

このように、前記ねじ軸に前記ナット部材が螺合したボールねじ装置を使用して、前記構造物に作用する振動を前記回転体の回転運動に変換すると、前記ねじ軸の軸方向加速度は前記ナット部材の角加速度に変換される際に、前記ねじ軸の雄ねじのリードに応じた増幅率で増幅される。また、前記回転体に生じた回転トルクを前記ねじ軸の軸方向反力に逆変換する際にも、当該回転トルクは前記雄ねじのリードに応じた増幅率で増幅される。このため、前記回転慣性質量ダンパでは、前記回転体の質量が小さい場合でも大きな反力をねじ軸に与えることができ、装置の小型化を図りつつも大きな振動低減効果を得ることができる。

一方、前記回転体に生じる回転トルクは当該回転体の慣性モーメントと前記角加速度の積で表されるので、構造物から前記ねじ軸に対して過大な軸方向加速度が入力され、それが増幅されて前記ナット部材に過大な角加速度が生じると、前記回転体に発生する回転トルクも過大なものとなってしまう。このため、当該回転トルクをそのままねじ軸の軸方向反力に逆変換すると、前記ねじ軸又は前記ナット部材の破損が懸念され、また、これらねじ軸及びナット部材が破損しないまでも、この回転慣性質量ダンパから過大な軸方向反力が構造物に作用することになり、当該軸方向反力によって構造物が破損する懸念もある。

この点に関し、特許文献１に示された回転慣性質量ダンパでは、前記ナット部材と前記付加錘の間に摩擦部材が設けられ、前記ナット部材と前記付加錘との間で伝達される回転トルクに上限値が設定されている。このため、前記ナット部材と前記付加錘との間で伝達される回転トルクが前記摩擦部材に設定された上限値を超えると、前記ナット部材から前記付加錘が切り離され、前記回転体の慣性モーメントは前記ナット部材に起因するものだけとなる。これにより、前記ねじ軸の軸方向反力に逆変換される回転トルクは抑えられ、前記ねじ軸に対して過大な軸方向反力が作用するのを防いでいる。

特開２０１１−１４４８３１

しかし、特許文献１に開示される回転慣性質量ダンパでは、前記ナット部材と前記付加錘との間に前記摩擦部材が設けられていることから、仮に摩擦部材が滑ることで前記付加錘と前記ナット部材が分離されたとしても、前記ナット部材そのものは前記ねじ軸の軸方向加速度を増幅した角加速度で回転してしまう。このため、回転体の慣性モーメントはナット部材に起因するもののみになるが、前記ねじ軸に対して過大な軸方向加速度が入力されると、それが増幅されて前記ナット部材には大きな回転トルクが発生し、当該回転トルクが逆変換されて大きな軸方向反力が生じることもあり、当該軸方向反力による構造物の破損が懸念された。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、過大な加速度を有する振動が入力された場合に、当該入力振動に応じて発生する軸方向反力を可及的に小さく抑えることができ、ダンパそのもの、又は構造物の破損を未然に防止することが可能な回転慣性質量ダンパを提供することにある。

すなわち本発明は、第一の構造体に固定される第一連結部と、第二の構造体に連結される第二連結部と、外周面に所定のリードで螺旋状のねじ溝が形成されると共に一方の軸端が前記第一連結部に接続されて回転不能に保持されるねじ軸と、前記ねじ軸を収容する中空部を有すると共に前記第二連結部に接続される固定筒と、前記固定筒に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合し、前記固定筒に対する前記ねじ軸の進退に応じて往復回転する回転体とを備え、前記第一連結部と前記第二連結部の間の距離の変動と前記ねじ軸のリードによって一義的に決定される回転角を前記回転体に与えて、前記第一の構造体と前記第二の構造体との間に作用する振動エネルギを減衰させる回転慣性質量ダンパを前提とするものである。そして、前記ねじ軸の軸端と前記第一連結部の間には、前記ねじ軸に対して所定値を超える回転トルクが作用した際に、前記第一連結部に対する前記ねじ軸の回転を許容して前記回転体の回転角を減じるトルク制限部材を設けている。

本発明によれば、前記第一の構造体と第二の構造体の間に作用する振動に起因して、前記ねじ軸に対して所定値を超える回転トルクが作用すると、前記第一連結部と前記ねじ軸の軸端との間に設けられたトルク制限部材が作用し、前記ねじ軸が回転して当該ねじ軸に形成された雄ねじ溝のリードが疑似的に増大する。これにより、前記回転体に生じる角加速度を小さく抑えることができ、入力振動に応じて発生する軸方向反力を小さく抑えることができ、ダンパそのもの、又は構造物の破損を未然に防止することが可能となる。

本発明の回転慣性質量ダンパの一例を示す概略図である。回転慣性質量ダンパを構成するダンパ本体の一例を示す斜視図である。回転慣性質量ダンパを構成するトルク制限部材の一例を示す斜視図である。

以下、添付図面に沿って本発明の回転慣性質量ダンパを詳細に説明する。

図１は本発明を適用した回転慣性質量ダンパの一例を示すものである。この回転慣性質量ダンパ１は、例えば、ビルディング、塔、橋梁等の構造物を含む系内の別々の部位（第一の構造体及び第二の構造体）に固定される第一連結部１０と第二連結部１１とを備えている。構造物を含む系とは、当該構造物が固定された基礎地盤を含む意であり、例えば構造物の内部に減衰装置が配置されている場合の外、前記第一連結部１０は構造物に、第二連結部１１は基礎地盤に固定される場合を含む。

前記構造物が振動すると、当該構造物を含む系の別々の部位に固定された前記第一連結部１０と第二連結部１１との間には軸方向の相対変位が生じることになり、本発明の回転慣性質量ダンパ１はこの相対変位をねじ軸及びナット部材からなるねじ変換機構によってフライホイールの回転運動に変換する。前記フライホイール及び前記ナット部材からなる回転体に生じた回転トルクは前記ねじ変換機構によって前記ねじ軸の軸方向反力に逆変換され、前記相対変位を生じさせている振動エネルギはこの軸方向反力によって減衰される。

この回転慣性質量ダンパ１は、大きく分けて、ダンパ本体部２と、前記ダンパ本体部２と直列に連結されたトルク制限部材３とから構成されている。前記トルク制限部材３は前記ダンパ本体２と前記第一連結部１０との間に設けられ、前記ダンパ本体２は前記トルク制限部材３と前記第二連結部１１との間に設けられている。

図２は前記ダンパ本体の一例を示す斜視図である。前記ダンパ本体２は、中空部を有して円筒状に形成された固定筒２０と、この固定筒２０の中空部に対して挿入されたねじ軸３０と、多数のボールを介してこのねじ軸３０に螺合するナット部材４０と、前記固定筒２０に対して回転自在に支承されると共に前記ナット部材４０が結合された円筒状の軸受ハウジング５０と、この軸受ハウジング５０に固定された円筒状のフライホイール６０と、前記固定筒２０に対して回転自在に支承されると共に前記フライホイール６０に対して結合されたロータ部材８０とを備えている。

前記固定筒２０はボールジョイント２１を介して前記第二連結部１１に結合されている。前記ボールジョイント２１は前記第二の構造体に対する前記固定筒２の中心軸の角度変位を吸収する一方、前記固定筒２０の中心軸周りの回転は係止するように構成されている。また、前記トルク制限部材３も同様のボールジョイントを介して前記第一連結部１０に結合されている。

前記固定筒２０と前記軸受ハウジング５０との間には軸受（図示せず）が設けられており、前記軸受ハウジング５０は前記固定筒２０に対して回転自在に支承されている。また、前記軸受ハウジング５０の軸方向の一端には前記ナット部材４０が固定されており、かかるナット部材４０が回転すると、軸受ハウジング５０がナット部材４０と共に前記固定筒２０に対して回転を生じるように構成されている。

前記ねじ軸３０及びナット部材４０は所謂ボールねじ装置を構成している。前記ねじ軸の外周面には所定のリードで螺旋状のねじ溝が形成されており、前記ナット部材に内蔵された多数のボールが前記ねじ溝内を転動する。これにより、前記ねじ軸３０と前記ナット部材４０との間では軸方向の直線運動と前記ねじ軸周囲の回転運動を相互に変換することが可能となっており、前記ねじ軸３０に対して軸方向の直線運動を与えると、前記ナット部材４０が前記ねじ軸３０の周囲で回転運動を生じる一方、前記ナット部材４０に回転運動を与えると、前記ねじ軸３０が軸方向へ直線運動を生じることになる。

前記ねじ軸３０の軸端は前記トルク制限部材３を介して第一構造体に固定されることから、地震等によって前記第一連結部１０と前記第二連結部１１との間に相対変位が生じ、当該ねじ軸３０が軸方向へ直線運動を生じると、これに応じてナット部材４０がねじ軸３０の周囲を回転し、この回転が前記軸受ハウジング５０に伝達される。尚、前記フライホイール６０から突き出したねじ軸３０の一端には後述する伝達軸３２が設けられており、当該伝達軸３２は前記トルク制限部材３に挿入されている。

前記軸受ハウジング５０の外側には円筒状のフライホイール６０が設けられている。このフライホイール６０は前記軸受ハウジング５０に固定されており、前記ナット部材４０及び前記軸受ハウジング５０と一体で回転するように構成されている。また、前記軸受ハウジング５０が固定筒２０に対して自由に回転し得ることから、前記フライホイール６０は前記固定筒２０に対しても自由に回転することが可能である。

一方、前記固定筒２０の周囲には前記ロータ部材８０が設けられている。このロータ部材８０は回転軸受を介して固定筒２０の外周面に支承されると共に、エンドプレート６１を介して前記フライホイール６０に結合されており、前記フライホイール６０の回転に伴って前記固定筒２０の周囲を回転するように構成されている。

前記ロータ部材８０の内周面は固定筒２０の外周面とわずかな隙間を介して対向しており、かかる隙間は粘性流体の密閉空間となっている。このため、ロータ部材８０が回転すると、前記密閉空間に充填された粘性流体に対して剪断抵抗力が作用し、ロータ部材８の回転運動のエネルギ、ひいてはフライホイール６０の回転運動のエネルギが減衰されるようになっている。

図３は前記トルク制限部材３の一例を示すものである。このトルク制限部材３は、中空部を有して円筒状に形成された外筒部材３１と、前記外筒部材３１の中空部内に挿入された伝達軸３２と、前記外筒部材３１の中空部内に配置されて当該中空部内で前記伝達軸３２を保持する回転軸受３３と、前記伝達軸３２に押し付けられて前記外筒部材３１に対する当該伝達軸３２の回転を係止する複数の摩擦部材３４とを備えている。

前記外筒部材３１に形成された中空部は軸方向の一端が蓋部材３５によって塞がれている。この蓋部材３５の中央には連結軸３６が固定されており、図３では省略されているが、この連結軸３６の先端にはボールスタッドが一体に設けられている。前記ボールスタッドはボールジョイントを介して前記第一連結部１０に係合し、前記第一の構造体に対する回転慣性質量ダンパ１の角度変位を吸収する。

前記外筒部材３１の中空部には前記伝達軸３２が挿入されている。この伝達軸は前記ねじ軸３０と一体になって回転して回転トルクを伝達すると共に当該ねじ軸との間で軸方向荷重（軸力）を伝達するものであり、前記ねじ軸と一体に形成されても良いし、あるいは継手によってねじ軸と連結されてもよい。前記外筒部材３１と前記伝達軸３２との間で作用するラジアル荷重及びスラスト荷重を負荷しつつ、当該伝達軸３２を前記外筒部材３１に対して回転自在に保持するため、前記回転軸受３３としては一対の複列ローラ軸受が用いられている。各複列ローラ軸受は所謂アンギュラコンタクト軸受であり、自転軸が９０度の角度で交差した２列のローラ列を有し、各ローラ列を構成するローラの自転軸は前記伝達軸３２の軸方向に対して４５°の角度で傾斜している。これにより、前記外筒部材３１と前記伝達軸３２との間で大きな軸方向荷重を伝達することが可能となっている。

更に、前記複数の摩擦部材３４は前記外筒部材３１と前記伝達軸３２の間で、当該伝達軸３２を取り囲むように配置され、前記伝達軸３２の外周面に突出する鍔部３７に接している。各摩擦部材３４は前記外筒部材３１の周方向へは移動不能に、且つ、半径方向へは移動自在に配置されている。前記外筒部材３１には複数の調整ねじ３８が螺合しており、各調整ねじ３８を締結することによって、前記摩擦部材３４が前記伝達軸３２の鍔部３７に向けて進出し、前記鍔部３７に対する前記摩擦部材３４の押圧力を調整することができる。すなわち、前記摩擦部材３４と前記鍔部３７との間には前記調整ねじ３８の締結量に応じた摩擦力が作用し、前記摩擦部材３４が前記伝達軸３２の回転を止めるブレーキシューとして機能する。

このため、前記伝達軸３２に回転トルクが作用している状態を想定すると、前記鍔部３７と前記摩擦部材３４との間に生じる摩擦力が前記回転トルクに抗して前記伝達軸３２を非回転に保持し得る程度に大きいものであれば、前記伝達軸は前記外筒部材３１に対して非回転に保持される。逆に、前記鍔部３７と前記摩擦部材３４との間に生じる摩擦力が小さければ、前記摩擦力は前記回転トルクに抗して前記伝達軸３２の回転を止めることができず、当該伝達軸３２は前記外筒部材３１に対して回転を生じることになる。

すなわち、前記トルク制限部材３はトルクリミッタとして機能しており、前記伝達軸に作用する回転トルク、換言すれば前記ねじ軸に作用する回転トルクが前記調整ねじの締結によって設定された制限トルク以下であれば、前記伝達軸３２及び前記ねじ軸３０は前記外筒部材３１に対して回転することなく保持される。一方、前記ねじ軸３０に作用する回転トルクが前記調整ねじ３８の締結によって設定された制限トルクを上回ると、前記伝達軸３２及び前記ねじ軸３０は前記外筒部材３１に対して回転を生じる。

このように構成された回転慣性質量ダンパ１では、前記第一連結部１０と第二連結部１１との間に相対的な振動が作用すると、前記トルク制限部材３と前記ねじ軸３０との間は軸方向荷重が伝達されることから、前記ねじ軸３０には軸方向加速度が作用し、前記振動は前記固定筒２０に対するねじ軸３０の軸方向への直線運動となる。このとき、前記ねじ軸３０に作用した軸方向加速度ａは以下の式（１）によって前記ナット部材４０の角加速度αに変換される。式（１）においてＬ₀は前記ねじ軸３０に形成されたねじ溝のリードである。また、前記ナット部材４０、前記軸受ハウジング５０及び前記フライホイール６０が一体となった回転体には角加速度αに起因して回転トルクが発生する。この回転トルクＴは以下の式（２）によって表される。この式（２）においてＩは前記ナット部材４０、前記軸受ハウジング５０及び前記フライホイール６０から構成される回転体の慣性モーメントである。

α＝（２π／Ｌ₀）・ａ（１）
Ｔ＝Ｉ・α＝Ｉ・（２π／Ｌ₀）・ａ（２）

前記回転体に生じた回転トルクＴは前記ナット部材４０によって再変換されて、軸方向の慣性力Ｑとなる。この軸方向慣性力Ｑは以下の式（３）によって表される。

Ｑ＝Ｔ・（２π／Ｌ₀）＝（２π／Ｌ₀）²・Ｉ・ａ＝Ｍ・ａ（３）

この式（３）に示されるように、軸方向慣性力Ｑは軸方向加速度ａと軸方向に関して等価な質量Ｍ＝（２π／Ｌ₀）²・Ｉの積と考えることができ、この回転慣性質量ダンパ１は軸方向に関して等価な質量Ｍを有するダンパであると言える。

式（１）〜（３）から理解されるように、前記回転体の慣性モーメントＩが小さいほど、又は前記ねじ軸３０のリードＬ₀が大きいほど、軸方向に等価な質量Ｍは小さくなり、仮に前記ねじ軸３０に作用する軸方向加速度を一定とすると、前記回転体に作用する回転トルクＴ、前記ねじ軸３０及び前記固定筒２０に作用する軸方向反力は小さくなる。

前記ねじ軸３０に対して軸方向加速度ａが作用し、それによって前記回転体（前記ナット部材４０、前記軸受ハウジング５０及び前記フライホイール６０）に回転トルクＴが発生する際、その反作用として、前記ねじ軸３０に対しても同じ大きさの逆方向の回転トルクが作用する。前記トルク制限部材３に挿入された前記伝達軸３２は前記ねじ軸３０と一体に設けられているので、前記回転トルクＴは前記トルク制限部材３の伝達軸３２にそのまま作用する。

トルクリミッタとしての前記トルク制限部材３が前記回転トルクＴに抗して前記伝達軸３２を非回転に保持する場合、すなわち前記ねじ軸３０が回転を生じることなく前記固定筒２０との間に直線運動を生じる場合、前記回転体には前記ねじ軸３０のねじ溝のリードに応じた回転角が与えられる。

一方、前記ねじ軸３０に作用する回転トルクＴが大きく、前記トルク制限部材３が前記伝達軸３２を非回転に保持することができない場合、すなわち前記ねじ軸３０が前記固定筒２０に対して回転を生じてしまう場合、当該ねじ軸３０は前記ナット部材４０に対して回転を生じながら前記固定筒２０に対して軸方向へ直線運動することになる。このとき、前記ねじ軸の軸方向への移動量が同じであったとしても、前記ナット部材４０の回転角は当該ねじ軸３０が非回転に保持されている場合と比較して減少し、疑似的に前記ねじ軸３０のリードＬ₀が増大したことになる。

すなわち、この第一実施形態の回転慣性質量ダンパ１では、前記トルク制限部材３に設定された制限トルクを超えた回転トルクが前記ねじ軸３０に作用すると、当該ねじ軸が回転を生じることで、当該ねじ軸のリードＬ₀が疑似的に増大し、それによって回転トルクＴ及び軸方向慣性力Ｑが減少することになる。特に、式（３）で示すように、軸方向慣性力Ｑは前記ねじ軸３０のリードＬ₀の２乗の逆数に比例しているので、リードＬ₀が増加すると、軸方向慣性力Ｑは大きく減少することになる。

従って、この回転慣性質量ダンパ１を取り付けた構造物が巨大地震等によって振動して、前記第一連結部１０と前記第二連結部１１の間に過大な加速度の軸方向変位が生じた場合、前記ねじ軸３０が回転することによって、前記回転体に作用する回転トルクＴは前記トルク制限部材３に設定された制限トルクの範囲内に抑制され、結果として回転慣性質量ダンパから構造物に作用する軸方向反力も抑制されることになる。

１…回転慣性質量ダンパ、２…ダンパ本体、３…トルク制限部材、３０…ねじ軸、４０…ナット部材

Claims

第一の構造体に固定される第一連結部と、
第二の構造体に連結される第二連結部と、
外周面に所定のリードで螺旋状のねじ溝が形成されると共に一方の軸端が前記第一連結部に接続されて回転不能に保持されるねじ軸と、
前記ねじ軸を収容する中空部を有すると共に前記第二連結部に接続される固定筒と、
前記固定筒に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合し、前記固定筒に対する前記ねじ軸の進退に応じて往復回転する回転体と、を備え、
前記第一連結部と前記第二連結部の間の距離の変動と前記ねじ軸のリードによって一義的に決定される回転角を前記回転体に与えて、前記第一の構造体と前記第二の構造体との間に作用する振動エネルギを減衰させる回転慣性質量ダンパにおいて、
前記ねじ軸の軸端と前記第一連結部の間には、前記ねじ軸に対して所定値を超える回転トルクが作用した際に、前記第一連結部に対する前記ねじ軸の回転を許容して前記回転体の回転角を減じるトルク制限部材を設け、
前記トルク制限部材は、前記第一連結部に対して非回転に接続された連結軸と、前記連結軸に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に対して非回転に保持される伝達軸と、前記連結軸と伝達軸との間で軸方向荷重を伝達すると共に前記連結軸に対して前記伝達軸を回転自在に保持する回転軸受と、前記伝達軸に圧接して前記連結軸に対する当該伝達軸の回転を係止する摩擦部材と、を備えたことを特徴とする回転慣性質量ダンパ。
前記回転軸受は、自転軸が９０度の角度で交差した２列のローラ列を有すると共に各ローラ列を構成するローラの自転軸は前記伝達軸の軸方向に対して４５°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１記載の回転慣性質量ダンパ。