JPH07506174A - 機械構造物及び構成要素のためのその場で模写される内部粘性せん断ダンパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 機械構造物及び構成要素のためのその場で模写される内部粘性せん断ダンパ髪肌 の技術分団 本発明は、機械や構造物の振動を減衰する手段に関する。より詳細には、本発明 は、鋳造され、穴あけされ、成形され、あるいは取付された（管の形で）長手方 向の穴を有する構造物を含む装置に関する。穴はいかなる形状でもよいが、理想 的な形状は周辺を最大にするものである（例えば四角形）。穴は、できるだけ大 きくあるべきである。そして、穴の中立軸は、できるだけ構造物の中立軸から離 れているべきである。理想的には、穴がほとんど構造物に行き渡っている（例え ば、大きな四角の中の４つの四角）。滑らかな表面にされ穴よりも３−５ｍｍ小 さい、管、板、むく部分のような構遺せん断部材は、非常に粘性のある流体（例 えば、バキュームグリース）で覆われている。表面はぼろで柔らかく拭がれ、粘 性のある離型剤の薄い膜のみが残される。任意に、せん断部材の端部は、ニュー トン流体が時間と共に漏れるのを阻止するために、潤滑された０リングを有する 。せん断部材は穴の中に浮遊され、エポキシ又は硬質ゴムが模写剤として作用す るようにそのせん断部材の周りに注入される。模写剤が硬化した後に、せん断部 材が模写剤から自由になるように圧力が用いられる。その工程が適切に実行され たとき、せん断部材は、粘性摩擦抵抗のみによって保持されるであろう。せん断 部材の中立軸は、構造物の中立軸を起点に配置されるので、　構造物の曲げは、 せん断部材と構造物の表面間に起きる相対的なせん断を生ぜしむ。このせん断動 作は、粘性流体をせん断し、構造物の材料や構造物の接続部で通常起きるよりも 高い振幅率で振動ニオ、ルギを消散させる。この概念は、工作機械を作る人が一 体の粗い鋳造された長手方向の穴を有する機械を設計することを可能にする。こ の穴は、顧客が′ｍ械発注形式に基づく高い減衰の追加機能を望むときに設置さ れるせん断部材ダンパを模写することができる。か（して、この概念は、工作機 械のモジュール構造を助長する。

仇惠罫景 時間的に変化する入力に対する構造物の応答は、構造物の剛性、減衰、そして質 量に依る。このことか呟個々には十分ではなくても、適正な剛性と減衰がそれぞ れ精密機械に必須の要求とされる。工作機械における構造接合部は、摩擦及びマ イクロスリップのメカニズムによる減衰の源であると長い間知られてきた。

構造接合部減衰の研究は、これらのメカニズムによる減衰を予言することに多数 の理論が利用できることを示している。例えば、１９７９年９月刊のｒＰｒｏｃ 、２０ｔｈ　Ｉｎｔ、Ｍａｃｈ、Ｔｏｏｌ　Ｄｅｓ、Ｒｅｓ。

Ｃｏｎｆ、Ｊ　第４４３−４４８頁、　Ｍ、Ｔｓｕｔｓｕｍｉ及びＹ、Ｉｔｏに よる題名＋Ｄａｍｐｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ａ　ＢｏｌｔｅｄＪｏ ｉｎｔ　ｉｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ“　、及び１９８２年刊のｒＰｒｅ ｃｉｓ、Ｅｎｇ、Ｊ４＠　Ｎｏ、４　第１８５−１９０頁、Ａ、Ｓ、Ｒ，Ｍｕｒ ｔｙ及びに、に、Ｐａｄｍａｎａｂｈａｎによる題名“Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　５ ｕｒｆａｃｅ　Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ　ｏｎＤａｍｐｉｎｇ　ｉｎ　Ｍａｃｈｉ ｎｅ　Ｊｏｉｎｔｓ”。　しかしながら、得られる減衰量は依然として臨界減衰 に要求されるものよりも小さな振幅であり、機械から機械へ一様な成果を達成す るために接合部での境界域パラメータを制御することが困難である。更に、機械 の正確さが要求される限り、接合部が剛性の領域としてふるまうことが最良であ ろう。一般に、材料と減衰機構を適切に選択することによって減衰を得るべきで ある。

工作機械は、適度に良好な減衰特性を有する鋳鉄がら伝統的に作られてきた。

大きくカットされ、あるいは高周波振動にさらされる機械（例えばグラインダ） に対しより高い減衰が要求されるとき、構造物の空洞は、粘性及び質量減衰を得 るために鉛粒又は砂で（粒子は互いに擦れ合う）、あるいは質量減衰を得るため にコンクリートで満たされることがある。ポリマーコンクリート（エポキシで互 いに接合された集合体）が当時開発され、それらは典型的には鋳鉄の３−１０倍 の減衰能力を有し、鋳造が容易であった。ポリマーコンクリートは今、高レベル の振動にさらされる機械（例えばグラインダ）に一般に使用されている。機械の 動特性を変えそしてホイールヘッドの望ましくない振動を抑制するために、減衰 質量（例えば、整調質量ダンパ）がまた実行されてきた。１９９１年刊のｒＰｒ ｅｃ、Ｅｎｇ、Ｊ　１３巻、Ｎｏ、３、第１７７−１８３頁、Ｙ、Ｎａｋａｎ□ による”Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｒ ｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　５ｕｒｆａｃｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓ　ｗ ｉｔｈ　ａ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　５ｐｉｎｄｌｅ　ａｎｄａ　ｒｅｃｉｐｒ ｏｃａｔｉｎｇ　ｗｏｒｋ−１ａｂｌｅ　ｂｙ　ｍｅａｎｓｏｆ　ａ　ｎｅｗ　 ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄａｍｐｅｒ＋を参照。しかしながら、より 高い速度とより大きな正確さがめられるにつれて、振動を減衰するより良好な手 段が更に要求される。

構造物に減衰を加えるために各種の装置が開発されてきた。これらは、１）整調 質量ダンパ、２）せん断プレートダンパ、そして３）機械構造物のためのテトラ フオーム（Ｔｅｔｒａｆｏｒｍ）概念（英国特許第８，７１９，１６９号）を含 む。

整調された質量ダンパを用いて特別の周波数での増幅を最小にすることができる 。回転する構成要素（例えば、研磨といし）を有する機械において、機械の構成 要素のうちあるものにおいて共振振動を起こす回転数の倍数（倍振動）でしばし ば十分なエネルギが存在する。これは、中ぐり棒やある種の研磨といしドレッサ のようなカンチレバー取付けされた構成要素にしばしば起きる。整調質量ダンパ は、振動の増幅が減じられるべき場所で構造物に取り付けられた質量、ばね、及 びダンパから簡単になる。質量、ばね、及びダンパの大きさは、それらが構造物 と位相が異なって振動しこのようにして構造物の振動増幅を減少するのに役立つ ように、選択される。整調質量ダンパの設計は比較的まっすぐであり、それらは 、多（の異なるタイプの構造物（例えば、ボストンのＪｏｈｎ　Ｈａｎｃｏｃｋ Ｂｕｉｌｄｉｎｇや、沖合の多数のオイルプラットフォーム）に大いなる成功を もって使用されてきた。例えば、ニューヨーク、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉ　Ｉ　ＩＢ ｏｏｋ社１９７５年刊、Ｌ、ＭｅｉｒｏｖｉｔｃｈによるｒＥＩｅｍｅｎｔｓｏ ｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ＡｎａｌｙｓｉｓＪ第９３−１００頁、第１１５−１ １７頁を参照。構造物は無限の数の振動モードを有しているので、しばしば励起 され性能劣化となる主要な振動モードを機械が有するとき振動を抑制するために 整調質量ダンパが第一に使用される。部分重量、機械の軸心位置、そして工具と 部分間の接触は、全て機械力学に大いに影響する。かくして、整調質量ダンパは 、一般に、工作機械のような総合機械に有効ではない。

全ての周波数で減衰を加える方法は、工作機械構造物の表面に取り付けられた粘 性及び粘弾性の交互の層又はいずれか一方の交互の層と、構造物の材料からなる せん断プレートを使用することである。ニューヨーク、Ｊｏｈｎ　Ｗｉ　ｌｅｙ ＆５ｏｎｓ社１９８５年刊、Ａ、Ｎａ５ｈｉｆ　ｅｔ　ａｌによるｒＶｉｂｒａ ｔｉｏｎ　ＤａｍｐｉｎｇＪのような振動減衰に関する標準的なテキストを参照 。工作機械への特別の適用のために、例えば、１９８７年刊のｒｌｎｔ、Ｊ、Ｍ ａｃｈ、Ｔｏｏｌｓ　Ｍａｎｕｆ、　Ｊ　２７＠、Ｎｏ、　１．第４３−５５頁 、Ｓ、Ｈａｒａｎａｔｈ、Ｎ、Ｇａｎｅｓａｎ、及びＢ、Ｒａｏによる”Ｄｙｎ ａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ＴｏｏｌＳｔｒｕｃｔｕ ｒｅｓ　Ｗｉｔｈ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ＤａｍｐｉｎｇＴｒｅａｔｍｅｎｔ“を参 照。構造物の中にこのタイプの減衰機構を設計するために、相対運動によって生 じる摩擦によって減衰が達成され、一般に中立軸から離れた構造物の運動が最大 であることを考慮せよ。最大の減衰はそれ故、外側の境界面が相対的に反対方向 に移動する２つの構造物間の相対運動によって得られる。この種の動きを調節し 、大きな量のエネルギを消散するために、粘性又は粘弾性材料が必要とされる。

材料の力学（ビームの曲げ）はよく理解されており、せん断ダンパを設計するた めに、その分野の熟練者によってこれらを利用することができる。工作機械のせ ん新版ダンパの使用に関連する第一の問題は、それらを取り付ける滑らかな外面 スペースがないことである。外面が支持面として使用される測長機のラムような 機械構成要素に関し、せん新版ダンパは、明らかに使用することができない。更 に、中ぐり棒のような構成要素は、増大された減衰により大いに利益を受けるが 、外部のせん断ダンパは過酷な切削環境では持続しない。

減衰を加える内部減衰方法は、Ｌｉｎｄｓｅｙによる特許（特許第２．　１９４ ゜１８２号として発行された英国特許出願第８，７１９，１６９号）で扱われて いる。

工学及び建築学において、４面体は、安定性のある古来の構造物、三角形の三次 元適用を表している。英国のＮＰＬ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　ＰｈｙｓｉｃａｌＬａ ｂｏｒａｔｏｒｙ）のＬｉｎｄｓｅｙは、ｒＴｅｔｒａｆｏｒｍＪ工作機槓概秀 を与えるために、これら基本的な自然の構造ブロックを取り上げ、巧みに処理さ れた減衰力学を加えた。テトラフオームは、４面体の形態にある機械構造である 。

円が脚部用に管状をなし、球が節を形成する。

円筒状脚部における減衰は、粘性せん断を介してエネルギを消散させ、膜減衰を 締め付ける浮遊した一対の同一直線上にある内部同心シリンダの使用を介して達 成される。脚の内側は正確に穴あけされ油砥石でどかれ、一方減衰管の外側は脚 の内側直径よりも数１０ミクロン小さくなるようにされている。外側のシリンダ が張力又は圧縮を受けるとき、内側のシリンダはこれら負荷にさらされず、相対 移動が粘性せん断に生じる。外側のシリンダが曲がるとき、内側のシリンダは円 の弦のように作用し、それで流体は、弦と正曲折した領域間の領域から弦と負曲 折した領域間の領域まで二者択一的にポンプされる。これは、膜減衰を絞る結果 となる。２つの内側シリンダは外側シリンダと同心であり、それで曲げはそれら の間で相対的なせん断を生じない。

接合部での減衰は、接合部にスリップが存在する場合でもその形状を維持するこ とを望む構造物、四面体に摺動支持技術を応用することにより達成される。脚部 を接合節に保持する糸調子棒が適当に張られるとき、四面体の脚部は、摺動支持 境界面によって与えられる高い程度の減衰により構造的に切り離される（それら は本質的に互いに独立してふるまう）。しかしながら、その支持境界面の有限の 摩擦は、単純支持ビームのそれと固定ビームの間のどこかで脚部が剛性を有する のに十分な支持を与える。接合部でのマイクロスリップは、四面体の最小のエネ ルギ形態が保存されることを望んでいるので、機械の寸法安定性に影響を与えな い。スリップし続け、寸法不安定に導く平坦な接合部と違って、四面体脚部の球 形端部は、球形接合節に留まることを望む。

四面体概念の主要な弱点は、それがオペレータにワークボリュームに接近するこ とを強要し、構造物全体の大きさが大きなワークボリュームのための結果となる ことである。必要とされるものは、いかなるタイプの構造物に対しても適用する ことができる一般的な目的の減衰機構である。

５ｕｓｕｋｉ及びＭ　ｉ　ｚ　ｕ　ｋ　ａ　ｎ　ｅによる米国特許第４．５１２ ．６１６号は、振動吸収材料（例えば、ゴムのような粘弾性材料）によって構造 物を囁ミすことを請求するによってこの要求を取り扱っている。しかしながらこ の方法は、誇張なしに何世紀の間実際に使用されてきた。そしてそれは、せん膜 減衰で得られる減衰の１０分の１も与えていない。英国、Ｂｅｄｆｏｒｄ　ＭＫ ４３　０ＡＬ、Ｇｒａｎｆｉｅｌｄ、Ｇｒａｎｆｉｅｌｄ　Ｐｒｅｓｓ社刊のＣ ｈｒｉｓＥｖａｎｓによるｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ ｎＥｖｏｌｕｔ　１ｏｎａｒｙ　ＶｉｅｗＪを参照（Ａｍｅｒｉｃａｎ　５ｏｃ ｉｅｔｙｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳＲａｌｅｉｇ ｈ。

ＮＣ（９１９）、８３９−８４４４　から利用できる）。エバンス氏は、人々が 何百年の間開めるために鉛粒から砂までいろいろな物質で機械の空洞を満たして きた事実に注目する。

それ故問題は、構造物の内側に適合できるせん断ダンパを設計し、この構成で低 コストでそれらを製造することである。

解決原理は、せん断根ダンパを構造物の内側に置くことである。しかしながら、 正しく機能するために、せん断根ダンパは、固着のための滑らかな表面を要求す る。このような表面を大きな構造物の内側に形成することは困難であり、かつ高 価となる。

本発明は、機械や構造物における振動を構造物の内側から減衰する手段に対する このような要求を取り扱う。より詳細には、本発明は、鋳造され、穴あけされ、 成形され、又は取り付けられた（杏の形状で）長手方向の穴を有する構造を含む 装置に関する。穴はいかなる形状でもよいが、理想的な形状は周辺を最大にする ものである（例えば、四角形）。穴はできるだけ大きくあるべきであり、穴の中 立軸はできるだけ構造物の中立軸から離れているべきである。理想的には、穴が ほとんど構造物に行き渡っている（例えば、大きな四角の中の４つの四角）。穴 より３−５ｍｍ小さい管のような滑らかな表面にされだせん断部材は、非常に粘 性のある流体（例えば、バキュームグリース）で覆われている。表面はぼろで柔 らかく拭かれ、粘性のある離型剤の薄い膜のみが残される。任意に、せん断部材 の端部は、ニュートン流体が時間と共に漏れるのを阻止するために、潤滑された ０リングを有する。せん断部材は穴の中に浮遊され、エポキシ又は硬質ゴムが模 写剤として作用するようにそのせん断部材の周りに注入される。模写剤ガ硬化し た後に、せん断部材が模写剤から自由になるように圧力が用いられる。その工程 が適切に実行されたとき、せん断部材は、粘性摩擦抵抗のみによって保持される であろう。せん断部材の中立軸は、構造物の中立軸を起点に配置されるので、構 造物の曲げは、せん断部材と構造物の表面間に起きる相対的なせん断を生ぜしむ 。

このせん断動作は、粘性流体をせん断し、構造物の材料や構造物の接続部で通常 起きるよりも高い振幅率で振動エネルギを消散させる。この概念は、工作機械を 作る人が一体の粗い鋳造された長手方向の穴を有する機械を設計することを可能 にする。この穴は、顧客が機械発注形式に基づく高い減衰の追加機能を望むとき に設置されるせん断部材ダンパを模写することができる。この設計は、ダンパが その場で模写される内部せん断部材の形態にあり、そしてエネルギ消散モードが 非常に粘性のある流体からなる薄膜のせん断に、そして模写剤がゴムのときはゴ ムからなる粘弾性のせん断に一次的によるという点で初期のせん断ダンパ設計（ 例えば、薄片に裂ける傾向のある板）とは基本的に異なる。

従って、鋳造、穴あけ、又は管の溶接のいずれかによって形成された粗い穴を減 衰されるべき構造物に持たせることにより、機械、構造物、及び構成要素におけ る振動を減衰し、そこでは穴はいかなる形状でも可能であるが、理想的な形状及 び位置は、形状の周辺と、中立軸から構造物の中立軸までの距離の積を最大にす ることであり、従って穴よりも３−５　ｍｍ小さい直径と、０５ミクロンＲａの 仕上げ面を有し、その仕上げ面が粘性流体で覆われた、滑らかな表面にされだせ ん断部材を穴の中に挿入することができ、構造物が曲がるとき、せん断応力がそ の構造物とせん断部材の間に生じ、そしてこの応力が、模写剤を使用しているた めに、非常に薄い粘性流体境界域を横切って生じるように、エポキシ又はゴムの ような模写剤がせん断部材の周りに注入され、従ってそれ故に、エネルギ消散率 が高くなり、曲げ及び軸方向の振動が減衰される新規の改良された方法を提供す ることが本発明の目的である。

別の目的は、構造物の内側で模写されるせん断部材をもってせん膜減衰の原理を 使用できる新規な減衰装置を提供すること、構造物又は構成要素の機能を制限す る可能性がある構造物又は構成要素の外部に減衰手段を配置することを回避する だめに、構造物の内部に配置される手段を用いて減衰を増大するこ’Ｅｌｋ望ま れる、主軸ロータ及びハウジング、工具柄部、測定機器の探触子、機械構造物及 び構成要素、空間構造物、エンジン構成要素、航空機構成要素、そしてあらゆる タイプの構成要素又は構造物のような、構成要素のための減衰を提供することで ある。

更に、本発明の別の目的は、外部の粘弾性せん断ダンパに使用されるゴムのヒス テリシス特性を有しないニュートン流体のせん断をもって振動を減衰する手段を 提供することである。それによって、ダンパを使用する精密機器構成要素のよう な構成要素の正確さを増大する。

更に、本発明の別の目的は、その場で模写されるせん断ダンパを設計するのに設 計者が使用する、使い易い理論及び展開シートを提供することである。従って、 設計は決定論的になるであろう。設計技術者は、その設計が期待通りに働くとい う高い自信を有するであろう。

これらのそして更なる目的は、以下に、そして添付の請求の範囲により詳細に記 載されている。

要約すると、本発明は、機械及び構造物における振動を構造物の内部から減衰す る手段を含む。より詳細には、本発明は、鋳造され、穴あけされ、成形され、又 は取り付けられた（管の形状で）長手方向の穴を有する構造物を含む装置に関す る。穴はいかなる形状でもよいが、理想的な形状は周辺を最大にするものである （例えば、四角形）。穴はできるだけ大きくあるべきであり、穴の中立軸はでき るだけ構造物の中立軸から離れているべきである。理想的には、穴がほとんど構 造物に行き渡っている（例えば、大きな四角の中の４つの四角）。滑らかな表面 にされ穴より３−５ｍｍ小さいせん断部材は、非常に粘性のある流体（例えば、 バキュームグリース）で覆われている。表面はぼろで柔らかく拭かれ、粘性のあ る離型剤の薄い膜のみが残される。任意に、せん断部材の端部は、ニュートン流 体が時間と共に漏れるのを阻止するために、潤滑された０リングを有する。せん 断部材は穴の中に浮遊され、エポキシ又は硬質ゴムが模写剤として作用するよう にそのせん断部材の周りに注入される。模写剤が硬化した後に、せん断部材が模 写剤から自由になるように圧力が用いられる。その工程が適切に実行されたとき 、＋Ａ、、□１よ、８１■抵抗。８１．よ７エ保持あれる。あうう。せ方竺蘇材 。中立軸は、構造物の中立軸を起点に配置されるので、構造物の曲げは、せん断 部材と構造物の表面間に起きる相対的なせん断を生ぜしむ。このせん断動作は、 粘性流体をせん断し、構造物の材料や構造物の接続部で通常起きるよりも高い振 幅率で振動エネルギを消散させる。この概念は、工作機械を作る人が一体の粗い 鋳造された長手方向の穴を有する機械を設計することを可能にする。この穴は、 顧客が機械発注形式に基づ（高い減衰の追加機能を望むときに設置されるせん断 部材ダンパを模写することができる。かくして、この概念は、工作機械のモジュ ール構造を助長する。この設計は、ダンパがその場で模写される管、板、又はむ く部分のような内部せん断部材の形態にあり、そし−Ｃエネルギ消散モードが非 常に粘性のある流体からなる薄膜のせん断に、そして模写剤がゴムのときはゴム からなる粘弾性のせん断に一次的によるという点で初期の外部せん断ダンパ設計 （例えば、薄片に裂ける傾向のある板）どは基本的に異なる。

好ましいかつ最善の設計態様が以下に述べられている。

区血Ω血単り説囚 図１は、簡単な中空ビームの端部の斜視図である。

図２は、長さが５０．８ｃｍ（２０インチ）、壁厚が３．１８ｍｍ　（１／８イ ンチ）、５．０８ｃｍ平方（２インチ平方）の簡単なアルミニウム製中空ビーム の振動テストの出力である。

図３は、内側に適用された１、９１　ｃｍ　（３／４インチ）のアルミニウム製 管せん断ダンパを有する簡単な中空ビームの端部の斜視図である。

図４は、内側に適用された１、９１　ｃｍ　（３／４インチ）のアルミニウム製 管せん断ダンパを有する長さが５０．８ｃ＋ｎ（２０インチ）、壁厚が３．１８ ｍｍ（１／８１インチ）、５．０８ｃｍ平方（２インチ平方）の簡単なアルミニ ウム製中空ビームの振動テストの出力である。

図５は、主軸ロータ及びステータの振動を低減するためにその場で模写される内 部せん断ダンパをどのようにして採用できるかを示す工作機械主軸の端部切断図 である。

図６は、機械構造物の振動を低減するためにその場で模写される内部せん断ダン パをどのようにして採用できるかを示す工作機械のコラムの端部切ＩＦｒ盲使モ る。

図７は、振動を低減するためにせん断ダンパをどのようにして採用できるかを示 す軸部の端部切断図である。

図８は、一体の模写されたせん断ダンパ部材を有する管状構造部材の端部切断図 である。

拝縄ｌ説所 図面は、機械構造物又は構成要素において高い減衰を得る装置を示している。

図１は、典型的には測長機でラムとして使用される中央の空洞２を有する減衰さ れない中空金属ビーム１（例えば、長さが５０．８ｃｍ（２０インチ）、壁厚が ３．１８ｍｍ　（１／８インチ）、５．０８ｃｍ平方（２インチ平方）の簡単な アルミニウム製中空ビーム）の端部を示している。図２は、衝撃に対するビーム の応答を示している。図面は、非常に長い間振動が続くことを示している。対数 減衰率の方法を使用することによって、ビームが５００のオーダの共振で増幅を 有することを示すことができる。これは、共振による振動がだんだんと大きくな るのを抑制するようにめられている減衰が非常に僅かしか存在しないので、ビー ムの動的こわさがその静的こわさの５００分の１であることを意味する。

対比的に、図３は、中央の空洞４をそのままにしている壁厚３．１８ｍｍ（１／ ８インチ）、５．０８ｃｍ平方（２インチ平方）のアルミニウム製中空ビーム３ の端部を示している。この空洞４は、ここでは中空の四角な管として示されが、 好ましくはニュートンの粘性法則に従う粘性流体６の数１０ミクロンの薄い層で 被覆されだせん断部材７をその中に有している。粘性流体６は、離型剤として作 用し、従って空洞４の粗い表面に模写剤５が粘着でき、一方せん断部材７は滑ら かな表面の形をとっている。この模写剤５は、せん断部材が構造部材３に対して 軸方向に摺動するのを許容する。図４は、衝撃に対するビーム３の応答を示す。

図面は、外側の構造ビーム３とせん断部材７の間にせん断ひずみが存在するため に、振動が急速に減衰していることを示している。ビーム間の境界域でのせん断 は、粘性流体６を横切りて生じる。対数減衰率の方法を使用することによって、 ビームが２０のオーダで共振での増幅を有することを示すことができる。これは 、共振で生じる振動がだんだんと大きくなるのを抑制するようにめられている粘 の静的こわさの２０分の１に過ぎないことを意味する。

その場で模写されるせん断ダンパをもって達成し得る減衰量は、減衰により失わ れた仕事と装置に加えられた全仕事の量を計算することによって決めることがで きる。ビーム３と、管７のような減衰部材間の相対運動を考慮することによっよ うなせん断部材は、同じ変位をもたなければならない。すなわち、ここで下付文 字すおよびｔは、それぞれビームとせん断部材を表す。Ｉｂはビームの慣性モー メントを、Ｅｂはビームの弾性率をそれぞれ表す。組立ビームに作用する全力Ｆ は、構造物内のｎのせん断部材を加えたビームに作用する力の合計とされる（ｎ はせん断部材の数である）。

Ｆ＝Ｆ、＋Σ石 ビームと各せん断部材によって支持される力は、それ故に以下の通りである。

ビームと減衰せん断部材の応力は、σ−Ｆｘａ／Ｉによりめられる。ここで、ａ はビームとせん断部材の中立軸間の距離である。この距離ａでの合成応力は、ε ＝σ／Ｅである。表面の増加距離ｄｘを越えると、軸方向長さの変化は、εｄｘ である。かくして、ビームに沿うあらゆる距離Ｘで、軸方向の変位は、以下の通 りである。

（ａｎｙ）は、せん断部材が配置される空洞の周囲に沿うあらゆる点での軸方向 の変位を説明する。せん断部材の軸方向の変位は、また以下のような同じような ゛　方法でめることができる。

速度ｖｒｅｌは、ｄδ／ｄｔである。ここで、δ＝δｂ−δｔである。力Ｆは、 時間の関数であるので、各減衰せん断部材を有するビームの長さに沿って分散し た動力は、以下の通りである。

ここで、ｐは減衰せん断部材のパラメータ、ｄｘはビームに沿う長さ、モしてｈ は減衰材料の厚さである。

せん断部材毎に分散動力決定したので、サイクル毎に失われた全エネルギとサイ クル毎に加えられたエネルギを最初に計算することによって減衰全体の概算を作 ることができる。入力した力が正弦曲線ＣＦ（ｔ）・Ａｓ１ｎωｔ）であるとさ れるとき、各せん断部材のサイクル毎に失われた全エネルギを決めることができ る。

サイクル間に減衰されたビーム内に入力されたエネルギは、力と速度の積と一体 の時間である。

１９、減衰率は以下によってめられる。

ここで、ωｄは、減衰されたビームの固有振動数である。典型的な適用は、カン チレバービームの減衰である。カンチレバービームに関し、固有撮動数は、一般 的な関係からめることができる。

ここで、ｎはモード数を表す整数、Ａは断面積、モしてρは密度である。最初に 減衰されたビームの固有振動数に関しては、以下の通りである。

この結果を用いて、対数減衰率は以下のように表せられる。

これは、ビーム装置に存在する減衰量の非常に仔用な測定法である。装置の対数 減衰率を知ることによって、設計者は設計の全体的な減衰特性を見積もることが できる。

４つの穴を有するビームの対数減衰率を自動的に計算する拡張シートは、以下小 穴の直径（ｍ）　０．００９３ 大穴の直径（ｍ）　０．０３６４ 小穴の中立軸からの距離（ｍ）　０．０１９１辺の長さくｍ）　０．０５６３ バーの長さくｍ）　０．３０４８ 小穴の数　４ 小穴のＩ　（ｍｉ）　１．４９８８Ｅ−０９オフセツトの■　（平行軸の法則） （ｍ−４）　１．００５４Ｅ−０７大穴のｌ　（ｍ−４）　８．６６３９Ｅ−０ ８四角のＩ　（ｍ−４）　８．３７９５Ｅ−０７全１　（ｍ−４）　６．４９２ ７Ｅ−０７小穴の面積（ｍ−２）　６．８６２０Ｅ−０５大穴の而ｂ７（ｍ−２ ）　１．０４３４Ｅ−０３四角の面積（ｍ−２）　３．１７１０Ｅ−０３全面積 （ｍ−２）　１．８５３１Ｅ−０３ポアソン比　０．３３ 密度（Ｋ　ｇ／ｍ”３）　２８００ 弾性率（Ｎ／ｍ”２）　７．　ＯＯＯＥ＋　１０せん新係数　０．５６７３ Ｗ　ｔｉｍｏ／Ｗ　オイラー　０．８９４１自由自由固有振動数（Ｈｚ）　３２ ０７．３１動粘性（Ｋｇ／ｍ−５）’　９５．００粘性流体の厚さくｍ）　２． ５４０Ｅ−０５減衰片厚さくｍ）　３．１７５Ｅ−０３減衰片のＩ　（ｍ−４） 　１．　５０２Ｅ−１０対数減衰率　０．６０ 拡張シートは、任意の幾何学、与えられた以下のような慣性モーメント及び構造 の面積から、利用できる減衰を計算するであろう。

管１の中立軸からの距離（ｍ）　０．０１９１管２の中立軸からの距離（ｍ）　 ０．０１９１管３の中立軸からの距離（ｍ）　０．０１９１管４の中立軸からの 距離（ｍ）　０．０１９１ビームの長さくｍ）　０・　３ｏ４８ 管ｌのＩ　（ｍ”４）　２．５４２４Ｅ−０８管２（７）Ｉ　（ｍ−４）　２． ５４２４Ｅ−０８管３のＩ　（ｍ−４）　２．５４２４Ｅ−０８管４のＩ　（ｍ −４）　２．５４２４Ｅ−ｏｇ管１の面積（ｍｌ）　６．８６．６１Ｅ−０５管 ２の面積（ｍ−２）　６．８６６１Ｅ−０５管３の面積（ｍ−２）　６．８６６ １Ｅ−０５管４の面積（ｍ”２）　６．８６６１Ｅ−０５ビームの面積（ｍ−２ ）　１．８５４４Ｅ−０３管の密度（Ｋ　ｇ／ｍ−３）　２８００ビームの密度 ＣＫ　ｇ／ｍ−３）　２８００管の弾性率（Ｎ／ｍｌ）　？、０００　Ｅ＋　１ ０ビームの弾性率（Ｎ／ｍ”２）　７．０ＯＯＥ＋１０管１の円周（ｍ）　２． ９３７４Ｅ−０２管２の円周（ｍ）　２．９３７４Ｅ−０２管３の円周（ｍ）２ ．９３７４Ｅ−０２管４の円周（ｍ）　２．９３７４Ｅ−０２動粘性（Ｋｇ／ｍ −５）　９５．００ 粘性流体の厚さくｍ）　２．５４０Ｅ−０５対数減衰率　０．３８ 増幅率　８．２７ これらの拡張シートは、この技術を適用することを願っている技術者の助けとな る決定論的設計の性質を示している。常に増大するコスト、そして短い設計時間 と製品寿命サイクルの時代において、決定論的方法は設計者にとってより大きな 要求である。

再び適用すると、本発明の目的は、鋳造、穴あけ、又は管溶接のいずれかによ・ て、減衰すべき構造物に粗い穴を形成することにより、機械、構造物兵□□□各 構成要素の振動を減衰する新しい改良された方法を与える装置でこのようにして 全般的に得られる。穴は、いかなる形状でもよいが、理想的な形状及び配置は、 穴の形状の周辺と、穴の中立軸から構造物の中立軸までの距離との積を最大にし 、従って穴よりも３−５ｍｍ小さい直径と、０５ミクロンＲａの仕上げ面を有し 、その仕」−げ面が粘性流体で覆われた、滑らかな表面にされだせん断部材を穴 の中に挿入することができ、構造物が曲がるとき、せん断応力がその構造物とせ ん断部材の間に生じ、そしてこの応力が、模写剤を使用しているために、非常に 薄い粘性流体境界域を横切って生じるように、エポキシ又はゴムのような模写剤 がぜん断部材の周りに注入され、従ってそれ故に、エネルギ消散率が高くなり、 曲げ及び軸方向の振動が減衰される。

その場で模写されるせん断ダンパの製造が簡単である故に、図５．６．７、及び ８に示すようなモジュール形式の実施に特に適合している。

図５は、モジュールベアリングＩＩＡおよびＩＩＢによって線形様式で動くよう にされた構造部材８に取り付けられる工作機械の主軸１２の軸１５Ａの端部切断 図である。構造部材８は、その中に鋳造された長手方向の穴を有しており、その 穴の中にその場で模写されるせん断ダンパ９Ａ、９Ｂ、ＩＯＡ、及びＩＯＢが上 述したような方法で作られている。その場で模写されるせん断ダンパ９Ａ及び９ Ｂは長方形の断面を有し、そしてダンパＩＯＡ及びＩＯＢは円形の断面を有して いることにここで注目されたい。前に述べた理論が示すように、慣用のいかなる 断面の部材もせん断部材として使用することができる。主軸１２は、典型的には モジュールのカートリッジタイプからなる。ここでロータ１３は、その中にその 場で模写されるせん断ダンパ１４を有している。

図６は、工作機械用の軸１５Ｂの端部切断図である。この軸１５Ｂは、例えば主 軸の軸１５Ａを保持するために使用される。図５のベアリングＩＩＡおよび１１ Ｂは、モジュール線形ベアリング１７Ａおよび１７Ｂ上のコラム１８に関して動 （プレート１６に取り付けられる。このコラムは、その場で模写されるせん断ダ ンパ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ１及び１９Ｄによって減衰される。この設計は、エ ポキシ花崗岩構造（例えば、ＧｒａｎｉｔａｎＴＭ）によって得られるのと同等 の高い減衰をもった構造物を工作機械の４計４術者が設計するのを可一番表、そ れにもかかわらず設計者が望むいかなる材料からも構造物を作る自由を設計者に 与える。例えば、多くの設計者は、熱伝達特性が良く、長期間に亘る証明済みの 例外的な安定性の故に、鋳鉄を好む。設計者が使用することを望む他の材料は、 測長機に広く使用されているアルミニウム酸化物のようなセラミックを含む。

図７は、中ぐり棒のような工具２０のシャンクの部分断面図を示す。これらのシ ャンクは、典型的には丸く、そしてその場で模写される丸いせん断ダンパ２２Ａ 、２２Ｂ、２２Ｃ，及び２２Ｄのためにシャンク２１に穴あけされた、又は押出 工程の間に形成された穴を持つことができる。

図８は、スペース構造又は自転車用管の管構造部材２３の部分断面図を示す。

構造管２４は、その場で模写される薄い弧形状のせん断ダンパ２５Ａ、２５Ｂ。

２５Ｃ１及び２５Ｄをその中に有している。模写剤２６は、その場で模写される 薄い弧形状のせん断ダンパ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ，及び２５Ｄの両側を覆って いる。模写剤の内面は、連続気はう泡のような材料２７によって境界がつけられ ている。材料２７は、その外面を例えば薄いプラスチックシート２８でシールす ることができる。模写剤のキュアの後、管２４のためにより大きな破壊抵抗を得 る目的で連続気はう泡をそのまま残しておくことができる。最大の重量減を得る ために、管２４の中心を空洞にする場合、模写剤２６の内面を、除去可能な心金 によって境界をつけることができる。模写剤のキュアの後、心金を引き出すこと ができる。

本発明の別の変更は、当該技術分野の熟練者には思いつくであろう。そして、こ のようなもの全てが添付の請求の範囲によって限定されるような本発明の精神及 び範囲内で所存になることが要求される。

フロントページの続き （７２）発明者　マーシュ、エリツク、アールアメリカ合衆国イリノイ州６０５ ４０ネイパーヴイレ、ウェスト・６２０・ヘインロック・レイン・２３ （７２）発明者　スミス、ダグラス、エイチアメリカ合衆国イリノイ州６０５６ ３ネイバーヴイレ、フォックス・ベント・コート・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　少なくとも１つの構造部材を有する減衰装置であって、前記構造部材が、ａ ．少なくとも１つの細長い空洞を有する本体部分と、ｂ．前記空洞の内側でかつ 前記本体部分から離れて間隔をおき、長軸か前記空洞の長軸に平行となり、そし て前記本体部分との間に環状空間か形成されるように整列された少なくとも１つ の細長いせん断部材と、ｃ．前記少なくとも１つのせん断部材を実質的に覆って いる高粘性流体と、そして ｄ．前記本体部分と前記覆われた少なくとも１つのせん断部材間の環状空間を実 質的に満たし本体部分に関し実質的に固定されている模写剤からなることを特徴 とする減衰装置。 ２　前記細長い空洞は、前記本体部分の中に鋳造された空洞からなる請求項１記 載の減衰装置。 ３　前記細長い空洞は、前記本体部分の中に穴あけされた空洞からなる請求項１ 記載の減衰装置。 ４　前記細長い空洞は、前記本体部分に固定された個別の管からなる請求項１記 載の減衰装置。 ５　前記本体部分と前記せん断部材間の環状空間は、５ｍｍ以下の厚さを有する 請求項１記載の減衰装置。 ６　前記せん断部材は、０．５ミクロンＲａの仕上げ面を有する請求項１記載の 減衰装置。 ７　前記模写剤は、エポキシからなる請求項１記載の減衰装置。 ８　前記模写剤は、ゴムからなる請求項１記載の減衰装置。 ９　前記粘性流体は、ニュートン流体からなる請求項１記載の減衰装置。 １０　前記少なくとも１つのせん断部材の少なくとも１つの端部に前記本体部分 と前記せん断部材間の環状シールを含む請求項１記載の減衰装置。 １１　前記せん断部材の中立軸の位置が前記構造部材の中立軸の位置から離れて 間隔を置いている請求項１記載の減衰装置。 １２　前記空洞の形状は、利用できるスペースに関して空洞の横断面を最大とす るように選択される請求項１記載の減衰装置。 １３　前記ニュートン流体は、ゴムより小さいヒステリシスを有する請求項９記 載の減衰装置。 １４　前記少なくとも１つの細長い空洞は、その長軸が地面に関し垂直に向いて 配置される請求項１記載の減衰装置。 １５　前記少なくとも１つの細長い空洞は、その長軸が地面に関し水平に向いて 配置される請求項１記載の減衰装置。 １６　前記少なくとも１つのせん断部材は、その横断面の周りを前記模写剤によ って取り囲まれている請求項１記載の減衰装置。 １７　前記少なくとも１つのせん断部材は、弧状の横断面を含む請求項１６記載 の減衰装置。 １８　前記本体部分が管からなる請求項１記載の減衰装置。 １９　少なくとも１つの細長い空洞を有する少なくとも１つの管状部材からつく られた空間構造体装置であって、前記装置が、ａ．前記空洞の内側でかつ前記管 状部材から離れて間隔をおき、長軸が前記空洞の長軸に平行となり、そして前記 管状部材との間に環状空間が形成されるように整列された少なくとも１つの細長 いせん断部材と、ｂ．前記少なくとも１つのせん断部材を実質的に覆っている高 粘性流体と、そして ｃ．前記管状部材と前記覆われた少なくとも１つのせん断部材間の環状空間を実 質的に溝たし管状部材に関し実質的に固定されている模写剤からなることを特徴 とする。 ２０　前記装置は、自転車のフレームである請求項１９記載の装置。 ２１　前記装置は、スペースステーションである請求項１９記載の装置。 ２２　前記減衰装置は、プロセスツールを含む請求項１記載の減衰装置。 ２３　前記プロセスツールは、中ぐり棒からなる請求項２２記載の減衰装置。 ２４　前記プロセスツールは、エンドミルからなる請求項２２記載の減衰装置。 ２５　前記プロセスツールは、シェルミルからなる請求項２２記載の減衰装置。 ２６　前記プロセスツールは、研削といしからなる請求項２２記載の減衰装置。 ２７　前記減衰装置は、計器を含む請求項１記載の減衰装置。 ２８　前記計器は更に、 ａ．探触子部分と、 ｂ．測定装置 を含み、前記構造部材は、前記探触子を前記測定装置に接続するシャンクである 請求項２７記載の減衰装置。 ２９　前記本体部分は、鋳鉄からなる請求項１記載の減衰装置。 ３０　前記本体部分は、セラミックからなる請求項１記載の減衰装置。 ３１　荷重支持構造部材を有する装置に振動減衰を与える方法であって、前記方 法は、 ａ．前記荷重支持構造部材の本体部分によって形成された少なくとも１つの細長 い空洞を少なくとも１つの荷重支持構造部材に与える段階と、ｂ．数ミリメート ルの周囲間隔をもって前記細長い空洞を通過できるような横断面を有する少なく とも１つの細長いせん断部材を与える段階と、ｃ．前記少なくとも１つのせん断 部材を高粘性流体で実質的に覆う段階と、ｄ．前記せん断部材と前記荷重支持構 造部材の本体部分間の空間内に模写剤を注入する間に前記せん断部材を前記空洞 の内側に浮遊させる段階と、そして ｅ．前記模写剤を凝固させる段階とからなることを特徴とする。 ３２　前記せん断部材が前記模写剤に結合しないようにし、それによってせん断 部材か模写剤に関しせん断部材の長軸に平行な方向に摺動できるようにする段階 を更に含む請求項３１記載の方法。 ３３　前記与える段階が前記荷重支持構造部材に空洞を鋳造する段階を含む請求 項３１記載の方法。 ３４　前記与える段階が前記荷重支持構造部材に空洞を穴あけする段階を含む請 求項３１記載の方法。 ３５　前記与える段階が前記荷重支持構造部材に空洞管を取り付ける段階を含む 請求項３１記載の方法。 ３６　前記注入段階の前に、前記粘性流体の薄い膜以外の全てを拭き取ることを 含む請求項３１記載の方法。 ３７　鋳造、穴あけ、又は管の溶接のいずれかによって形成された粗い穴を構造 物に所有させ、そこでは穴はいかなる形状でもよいが、理想的な形状及び位置は 、形状の周辺と、中立軸から構造物の中立軸までの距離の積を最大にし、従って 穴よりも数ミリメートル小さい直径と、０．５ミクロンＲａの仕上げ面を有し、 その仕上げ面が粘性流体で覆われた、滑らかな表面にされたせん断部材を穴の中 に挿入することができ、構造物が曲がるとき、せん断応力がその構造物とせん断 部材の間に生じ、そしてこの応力が、模写剤を使用しているために、非常に薄い 粘性体境界域を横切って生じるように、エポキシ又はゴムのような模写剤かせん 断部材の周りに注入され、従ってそれ故に、エネルギ消散率が高くなり、曲げ及 び軸方向の振動が減衰される、その場で模写されるせん断ダンパと呼ばれる荷重 支持構造装置。