NO159326B - Fremgangsmaate og anordning til aktiv reduksjon av vibrasjonsoverfoering. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til

aktiv reduksjon av vibrasjonsoverføring fra en kilde til vibrasjoner gjennom et feste for kilden til en bærekonstruksjon ved anvendelse av minst en vibrasjonsdriver som virker på festet, der aktivisering av vibrasjonsdriveren eller driverene opphever virkningen av den kildeavledende vibrasjon på bærekonstruksjonen.

Den aktive kontroll med støy og andre vibrasjoner er

i den senere tid blitt kommersielt viktige og denne oppfinnelse angår reduksjon eller opphevelse av vibrasjons-overføring fra en vibrasjonskilde, f.eks. en forbrennings-motor (f.eks. en skipsmotor) til monteringsfestene for kilden (f.eks. understellet på et kjøretøy eller skroget

for et fartøy som bærer kilden).

Oppfinnelsen kan anvendes for reduksjon av vibrasjons-overføringer fra både tilbakevendende og ikke tilbakevendende kilder, men i alminnelighet antar man at oppfinnelsen har sine viktigste kommersielle anvendelser ved dempning av vibrasjoner som kommer fra en tilbakevendende kilde.

Fremgangsmåte til aktiv dempning av vibrasjoner er beskrevet i US patent nr. 4.122.303 og 4.153-815, der det førstnevnte angår kontroll med tilfeldige vibrasjoner og

det sistnevnte angår kontroll med tilbakevendende vibrasjoner. De teknikker som er beskrevet i disse US patenter, kan anvendes til styring av de drivere som her blir beskrevet og den følgende beskrivelse vil være rettet mot oppbygningen av driverene, idet det forut-

settes at aktivisering av disse vil fremgå klart av de nevnte patentskrifter som det med dette vises til som referanse.

Aktiv utligning av vibrasjoner som overføres gjennom

I

maskinfester, krever vanligvis anvendelse av drivere

i

som arbeider i tre innbyrdes perpendikulære retninger ved hvert festepunkt fordi vibrasjonskilden vanligvis virker i flere retninger. Videre vil vibrasjonsegenskapene ved maskinfestene koble vibrasjoner fra en akse til en annen.

Ifølge oppfinnelsen er den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnet ved at minst en skjærspenningsoppevende anordning som overfører vibrasjoner bare i akseretningen og ikke i skjærplanet perpendikulært på akseretningen,

er anbragt mellom vibrasjonskilden og bærekonstruksjonen.

Oppfinnelsen vedrører også en anordning til reduksjon av overføringen av vibrasjoner fra en vibrasjonslcilde til en bærekonstruksjon, omfattende et feste som forbinder kilden med bærekonstruksjonen, en vibrasjonsdriver som virker på festet og anordninger til aktivisering av vibrasjonsdriveren, slik at kildevibrasjonene blir dempet i bærekonstruksjonen, og det som kjennetegner anordningen ifølge oppfinnelsen er at festet innbefatter skjærspenningsopphevende anordninger med et forhold mellom ettergivenhetene i akseretningen og i skjærplanet perpendikulært på akseretningen som er talltegn 1 : minst talltegn 15.

Ytterligere trekk ved fremgangsmåten, henholdsvis anordningen ifølge oppfinnelsen vil gå frem av de selvstendige krav.

j

Ved å sikre at vibrasjonen som skal reduseresj kan kobles

til festet gjennom vibrasjonsdriveren langs bare en enkel akse og ved å utøve den aktive motsatt rettede vibrasjon langs denne akse, er det mulig å arbeide tilfredsstillende med en enkel driver i hvert feste.

i j

En hvilken som helst eller en kombinasjon av følgende detaljer kan anvendes for å oppheve skjærvibrasjonene ved hver vibrasjonsdriver:

1. Plane luftlågere eller plane væskelagere kan anvendes ved bruk av kjent teknologi. 2. Asymetriske elastomeriske fester kan anvendes hvis ettergivenhet er betydelig større under skjærpåkjenninger enn under kompresjon, f.eks. ved å benytte en lagdelt pakke med flere lag av elastomerisk materiale og tynne metallplater. 3. Som under (2) ovenfor, men ved anvendelse av en pakke av elastomer-metallskiver som danner et hult feste. 4. Fester som under punkt (2) ovenfor, men med vinninger av materiale med strekkfasthet i avstand fra hverandre, f.eks. stål i stedet for tynne plater. 5. Enten (3) eller (4) over kunne legges i lag mellom to plater og deretter fylles med en passende væske, f.eks. vann, for å øke stivheten under kompresjon, mens man samtidig bevarer ettergivenheten under skjærpåkjenninger. 6. Mekaniske lagre, bestående av to plane flater med mellomliggende kule-eller rullelagere. Hvis man har rullelagere vil bare en av de tangensielle akser være spennings-opphevet og et ytterligere lignende lager er nødvendig i rett vinkel på det førstnevnte. Plane kulelagere har imidlertid en forholdsvis begrenset lastbæreevne. 7. En fjærtrå eller et stag under strekk med lågere ved hver ende mellom festet og en opphengning forbundet med kilden.

8. Et elektroviskøst materiale mellom elektroder og

9. Magnetiske lågere av forskjellige typer.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli beskrevet mer i detalj som eksempel, under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser en tidligere kjent anordning der det kreves tre drivere ved hvert feste,

fig. 2 viser skjematisk hvordan skjærspenningsisolasjon i festet muliggjør bruk av en enkel driver,

fig. 4 viser en enkel form for en elektrodynamisk driver til utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, fig. 4 viser skjematisk hvorledes et par skjærspennings-isolatorer kan anvendes for å gi lastbæreevine også når et feste er vendt rundt,

fig. 5 viser en skjærspenningsisolert driver basert på elektroviskøs styreteknikk,

i

fig. 6 viser seriekobling av en vibrasjonsutlignende driver og et passivt elastomerisk feste,

fig. 7 viser i tverrsnitt et aktivt lager for utligning av vibrasjonsvirkningene fra en eksentriskjaksel, og

i i

fig. 8, 9 og 10 viser magnetiske drivere till anvendelse ved utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 1 viser en maskin 1 med et feste 2 som er knyttet til en bærekonstruksjon 3 ved hjelp av tre driyere 4x, 4y og 4z som virker henholdsvis i de innbyrdes rettvinklede x-,

y- og z- retninger. Ved å føle vibrasjonene av maskinen 1 i hvert feste i de tre retninger og ved å aktivisere driverene i hvert feste for å motvirke vibrasjonskomponent-ene, kan konstruksjonen 3 gjøres vibrasjonsfri.

Fig. 2 viser hvorledes de tre drivere 4x, 4y og 4z på

fig. 1 kan erstattes av en enkel driver 4aj som virker i aksialretnmgen for et feste 2a, 2b, medj i en skjærspennings-isolator 5 som gir ubetydelig overføring av eventuelle vibrasjonskomponenter i y- og z-aksene fra festedelen 2a til festedelen 2b over isolatoren 5.

Vibrasjonen av festedelen 2a i akseretningen for delen 2a føles av en akselerasjonsmåler 20 som mater isin utgang til en forsterker 21 som på sin side setter driveren 4a i virksomhet. Det elektroniske ledd mellom J4a og 20, er innrettet slik at den vibrasjon som påtrykkes festedelen

2b av driveren 4a, utligner vibrasjonen fra maskinen 1

som passerer-over isolatoren 5. For å forbedre nøyaktig-heten i utligningen, kan kretsen 20, 21, 4a innbefatte en modifikasjonsanordning 22 som styres av en restvibra-sjonsføler 23.

Når maskinen 1 frembringer vibrasjoner som er hovedsaklig tilbakevendende i natur, kan den tilbakevendende komponent elimineres ved å benytte akselerasjonsmåleren 20 som en kilde til synkroniserihgssignaler for repetisjonshastig-heten og man kan bytte ut forsterkeren 21 med en bølge-formgenerator hvis bølgeform modifiseres av en tilpasnings-enhet som styres av utgangen fra restføleren 23. Denne fremgangsmåte til kontroll med vibrasjonene er godt beskrevet i det nevnte US patent nr. 4.153.815 og det skal derfor ikke gås mer i detalj her.

Fig. 3 viser en praktisk utførelsesform for en skjærspen-ningsisolator som omfatter en meget ettergivende skruefjær 6 av tråd med høy strekkfasthet innleiret i en ring .av meget ettergivende elastomerisk materiale 7 som omslutter et sylindrisk hulrom 8 mellom øvre og nedre plater 9 og hulrommet er fylt med en ikke sammentrykkbar væske 10.

En vanlig elektrodynamisk driver 11 har et stempel 12

som stikker inn i hulrommet 8 og benyttes til å frembringe de nødvendige utlignende vibrasjoner i festet 3- Fjæren 6 gir radial styrke til den elastomeriske ring (ved å hindre radiell utvidelse ved trykkøkninger) uten å tillate den elastomeriske ring å overføre noen særlig kraft i radialretningen. Et typisk eksempel er forholdet mellom ettergivenhet når det gjelder skjærpåkjenninger i isolatoren som er vist på fig. 3 og dens ettergivenhet i akseretningen større enn 50:1 (fortrinnsvis større enn 100:1).

For å hindre at en motor eller en maskin beveger seg

(f.eks. når et kjøretøy eller et fartøy som er utstyrt med motoren heller over eller akselererer i sideretningen)

kan festene 2 stilles skrått for å hindre bevegelse side-veis i et førsteplan. Et annet par fester som er skrått-stilt i et plan i rett vinkel på det førstnevnte, vil på lignende måte hindre bevegelse i det nevnte andre plan. Denne festeanordning vil imidlertid tillate maskinen fritt å rotere om den annen bevegelsesakse og hvis denne bevegelse viser seg å skape problemer, kan ytterligere fester anordnes med virkning tangensielt på rotasjonen for å hindre denne bevegelse. I tilfeller der bevjegelsen av et sete kunne bli tilstrekkelig alvorlig til å Jsette festene under strekkpåkj enninger, kan motstående par,' isolatorer 5a, 5b anvendes som vist på fig. 4 og dermed iholde maskinen i stilling i forhold til konstruksjonen 3 på tross av at det virker krefter i begge retninger på festene.

I

Bevegelsen av mange store maskiner, når de er fritt opp-hengt, er liten sammenlignet med arbeidsslaget for vanlige vibrasjonsdrivere og en mekanisk impedans omformning kan være ønskelig for å sikre høyest mulig virkningsgrad. Denne omformning foregår med den drivanordning som er

vist på fig. 3, der det mekaniske omsetningsforhold er lik forholdet mellom tverrsnittene på volumet 8 og stempelet 12. Som et alternativ kan et membranjeller et fleksibelt rør kobles til det væskefylte volum 8 og mem-branet eller det fleksible rør som benyttesjtil å overføre vibrasjonen til det væskefylte feste eller det kan anvendes vanlige hydrauliske reguleringsventiler til regu-lering av trykket i volumet 8.

!

Fig. 5 viser hvordan en driver kan utformes,1 når det an-

i

vendes en elektroviskøs væske 25 mellom to ikraftplater 26a, 26b. Den nedre kraftplate 26b har en jjordkoblet flate i berøring med væsken 28, mens plateri 26a har en ledende ring 27 koblet til en spenningskilde som skjematisk er antydet med forsterkeren 28. Platen 26a er for-

i

I

bundet med maskinen 1 og platen 26b er forbundet med bærekonstruksjonen 3 og har en kanal 29 gjennom hvilken, pulser i væsken 25 tilføres for å absorbere de vibrasjoner som ellers ville passere gjennom væsken fra maskinen 1 til platen 26b.

Når det hersker en potensialforskjell mellom ringen 27 og platen 26, vil en ringformet vegg 30 av væske 25 i fast form danne seg og skape en driver mellom platene 26a,

26b som overfører aksiale vibrasjoner, men har en høy grad av skjærspenningsisolasjon i planet for platen 26b.

Ved å sørge for en rekke ledende områder på flaten 26a (f.eks. en rekke av konsentriske ringer) kan formen på det volum av væske 25 som befinner seg mellom platene 26a, 26b og veggen 30 varieres etter ønske. Dette letter kontroll med den mekaniske impedans som driveren utgjør.

Når driveren skal bære både de statiske (og bevegelses-frembragte) krefter og de dynamiske vibrasjonskrefter kan det <? være ønskelig å avlaste driveren for de statiske krefter og begrense dens bruk bare til dynamisk vibrasjon. Som eksempel kan det anordnes en styresløyfe som virker ved en forholdsvis lav frekvens for å ta de statiske og bevegelseskrefter fra vibrasjonsdriveren, f.eks. kan en trinnmotormekanisme på en hensiktsmessig måte være koblet til stempelet 12 (se fig. 3).

Fordelene ved aktiv utligning som oppnås over et vanlig elastomerisk feste, kan kombineres med isolasjon ved anvendelse av de opphevende mekanismer som er beskrevet ovenfor. Som vist på fig. 6, kan en elektromekanisk driver 40 kobles direkte over elastomerdelen 41 i et elastomerisk feste 42. Det elastomeriske feste 42 i parallell med det aktive utligningssystem som dannes av driveren 40, vil være koblet i serie med den skjærspenningsopphevende anordning 5•

I

i

I det tilfellet der vibrasjoner stammer fra en eksentrisk aksel i et lager 50 (se fig. 7) kan bevegelsen av lageret bringes til å følge bevegelsen av akselen ved anvendelse av fire vibrasjonsdrivere 51 og 54, montert som vist, for å skape dynamisk posisjonering av lageret 50.j Skjærpåkjen-ningsisolatorene 5 er anbragt mellom hver driver og lågere. Da festene for hver driver kan utføres stive overfor enhver frekvens som ikke er synkronisert med bevegelsen av akselen på en måte som er beskrevet i US patent nr. 4J153.815,

kan systemet være lastbærende. I tillegg kanjvirkningen av bevegelsen av et kjøretøy eller et fartøy for innret-ningen av lageret 50 som forbinder en motor eller en maskin til kjøretøyet eller fartøyet, automatisk kompenseres ved anvendelse av ytterligere styresløyfer som virker på en eller flere av driverene 51-54 for å utligne (eller delvis utligne) kraften på lageret 50 eller dets forskyvning fra den ønskede innretning. Virkningen kunne f.eks. være bevegelse av motoren eller maskinen på sine vanlige fester eller forvridning av kjøretøyet eller fartøyet fordi dette ikke er stivt nok.

Der det antas å være viktig å ha tre innbyrdes rettvinklede drivere ved et maskinfeste, kan det skjærspenningsopphevende prinsipp som er beskrevet ovenfor benyttes for å hindre innbyrdes påvirkning mellom de tre drivere. i

i

Magnetiske drivere kan også anvendes i henhold til oppfinnelsen og mange utførelser av slike har den nødvendige grad av skjærpåkjenningsisolasjon. j

j i

Fig. 8 viser en slik driver, der et firepolet |lag 60 som er festet til vibrasjonskilden er lagt mellom to jtilsvarende firepolede lag 61 og 62 som er festet til setejt for kilden (en helt skjematisk forbindelse er vist på fig. 8). Hvert firepolet lag omfatter fire blokker 63 av ferrjomagnetisk materiale og fire viklinger 64 lagt på ferromajgnetiske kjerner som forbinder blokkene 63. Viklingene 64 frembringer like poler ved motsatte hjørner .av lagene. Bare tre lag er 'vist på fig. 8, men i praksis kan et hvilket som helst antall lag anvendes der de på hverandre følgende lag avvekslende frastøter og tiltrekker hverandre. Viklingene tilføres strøm i takt for å absorbere hovedvibra-sjonen som kommer fra kilden, men i tillegg kan utvalgte par av viklingene i hvert lag styres for å eliminere.vrid-ningsmomenter som kan oppstå mellom lagene under bruk. Fig. 9 viser en flerdelt stabel av elektromagnetiske drivere med bevegelig jernkjerne. Avvekslende polstykker 60', 61' er mekanisk forbundet med hverandre der et sett 60' er festet til en motor eller annen vibrasjonskilde 62' som skal understøttes, mens det annet sett 61' er mekanisk forbundet med et sete eller en understøttelse 63'- Bæredeler for polstykkene er umagnetiske, slik at de ikke slutter noen magnetiske baner. Viklinger 64', 65' er lagt rundt par av polstykker 60', 61' slik at avvekslende par polstykker aktiviseres i vekslende retninger. Dette frembringer vekslende frastøtende og tiltrekkende krefter som alle bidrar til understøttelsen og vibrasjons-kraften. Viklingene 64', 65' er fortrinnsvis ettergivende montert slik at de ikke overfører vibrasjoner til det felt der polene 60', 61' befinner seg. Fig. 10 viser en fremgangsmåte der den kjente teknologi for hevning av kjøretøyer kan modifiseres for å danne en skjærpåkjenningsisolert driver. En forsterker 70 fører aktiviserende signaler til en elektromagnet 71 som er festet til vibrasjonskilden 72. Den magnetiske fluks gjennom magneten 71 måles av en fluksdetektor 72 og styres av en tilbakekoblingssløyfe 73. Et gap 74 finnes mellom polene på magneten 71 og setet 75,under hvilket kilden S skal understøttes uten vibrasjoner. Gapet 74 styres fra en gapføler 76 som regulerer den krevede energi fra den flukspåvisende tilbakekoblingssløyfe 73- (Fluks-verdien er proporsjonal med kraften). Fluksdetektoren

72 kan være av en hvilken som helst vanlig ujførelse.

Por å styre aktiviseringen av magneten 71 slik at man sikrer at tilbakevendende vibrasjon som frembringes av kilden S ikke innvirker på setet 75, tas synkroniserings-signaler fra kilden S via en ledning 77 og mates til en bølgeformgenerator 78 hvis utgang tilføres tilbakekoblings-sløyfen 73- Tilpasning av bølgeformen som kommer fra generatoren 78 kan foregå ved hjelp av en akselerasjonsmåler 79 på setet 75, som fører sin utgang til en tilpas-ningsenhet 80 (f.eks. på den måte som er beskrevet i US patent nr. 4.153-815).

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til aktiv reduksjon av vibrasjons-overføring fra en kilde til vibrasjoner gjennom et feste for kilden til en bærekonstruksjon ved anvendelse av minst en vibrasjonsdriver som virker på festet, der aktivisering av vibrasjonsdriveren eller driverene opphever virkningen av den kildeavledede vibrasjon på bærekonstruksjonen, karakterisert ved at minst en skjærspenningsopphevende anordning som over-fører vibrasjoner bare i akseretningen og ikke i skjærplanet perpendikulært på akseretningen, er anbragt mellom vibrasjonskilden og bærekonstruksjonen.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den skjærspenningsopphevende anordning er bygget inn i driveren eller hver driver.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at driveren eller hver driver omfatter et volum av ikke sammentrykkbar væske som er delvis dannet av en i omkretsretningen omsluttende vegg som tillater skjærpåkjenningsbevegelser mellom sine aksiale ender, men som har motstand mot radiell utvidelse ved trykkøkning.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at den omløpende vegg omfatter et elastomerisk materiale hvori det er innleiret en skruefjær.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at det finnes anordninger for endring av volumet av den ikke sammentrykkbare væske som er inne-sluttet i driveren.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at den omløpende vegg er dannet av en elektroviskøs væske som blir fast ved påtrykning av et I elektrisk felt. i I

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at radius for den omløpende vegg kan varieres ved å variere elektrodene som finnes for det elektriske felt. i

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, der driveren eller hver driver omfatter tett sammenstående, men motsatt polede magnetiske poler, karakterisert vjied at en eller flere av de motsatt polede poler frembringes av en elektromagnetisk vikling som tilføres aktiviserende strøm med en fase og en størrelse som er slik at vibrasjonen fra I kilden isoleres ved variasjoner i gapet mellom de tett sammenstående poler. i

9. Anordning til reduksjon av overføringen av vibrasjoner fra en vibrasjonskilde til en bærekonstruksjon omfattende et feste som forbinder kilden med bærekonstruksjonen, en vibrasjonsdriver som virker på festet og anordninger til aktivisering av vibrasjonsdrivereri, slik i at kildevibrasjonene blir dempet i bærekonstruksjonen, karakterisert ved at festet innbefatter skjærspenningsopphevende anordninger med et forhold mellom ettergivenhetene i akseretningen og i skjærplanet perpendikulært på akseretningen som er 1 : minst 15.

10. Skjærspenningsopphevende anordning omfattende første og andre stive deler som står i avstand fra hverandre ved hjelp av elastomerisk materiale, karakt ejrisert ved at dette materiale omfatter en perferielt omløpende vegg som er forsterket med en skruefjær, at volumet innenfor veggen mellom de første og andre deler er fylt med en ikke sammentrykkbar væske og at forholdet mellom ettergivenheten for den første del i forhold til den annen del i skjærplanet og i akseretningen som er perpendikulær på skjærplanet for den periferielt omløpende vegg, er større enn 50 : 1. j I