NO166109B - Vibrasjonsdemper. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår generelt en nyutvikling og en ny anordning som anvender elastomerer som middel for å dempe vibrasjonene i konstruksjoner som er utsatt for vibrasjon.

Den mest kjente og salgsmessig mest suksessrike seis-

miske anordning for demping av luftspennledninger er Stockbridge-demperen. En slik demper omfatter et flertrådig ståltau, to vekter festet til ståltauets respektive ender og en lednings-klemme festet til ståltauet et sted mellom vektene. Når ledningen vibrerer forårsaker vektenes treghet at ståltauet arbeider slik at friksjonen mellom ståltauets tråder sprer vibrasjonsenergien til den omgivende atmosfære i form av varme. Stockbridge-demperen har to resonante bevegelsesmåter, hvor

vekten i hver modus har en kombinasjon av roterende og vertikal bevegelse med varierende forhold mellom disse.

I US-patent 3.478.160 til Reed brukes en enkelt elastomer-fåring for å henge opp en masse i en luftspennledning på en slik måte at massens tyngdepunkt plasseres i tre innbyrdes vinkelrette plan som er forskjøvet i forhold til massens opp-hengssenter. En slik anordning gir "koblete" vibrasjonsmodi,

noe som gir demping av en luftspennledning med varierende vibrasjonsfrekvenser.

Fra US patent 4,209,659 er kjent en demper av lignende art som foreliggende oppfinnelse, men i denne tidligere kjente demper finnes ingen frihetsgrad for rotasjonsbevegelse, og den kan heller ikke tilveiebringe noen slik bevegelse. Den kjente anordningen er bygget på prinsippet med vertikal translasjons-bevegelse av vekten for å utsette en lukket skruefjaer eller en elastomersylinder for skjærpåkjenninger. De viktige problemer som knytter seg til elastomermaterialer er derfor ikke berørt, ettersom det fritt kan benyttes metallfjærer istedenfor elastomerelementer i den kjente anordningen. Det foreligger heller ingen adskillelse mellom vektens tyngdesentrum og demperens virkningssentrum i den kjente anordningen, men en slik adskillelse er nødvendig hvis reaksjonen i rotasjons-retningen skal undersøkes og utnyttes.

I US patent 3,597,522 omtales dempere med sylindre av elastomert materiale eller utført som metallfjærer som sammen-<p>resses når en utenfor anordnet vekt beveger seg i forhold til en kleminnretning. Komprimering av elastomere materialer er som kjent ganske ineffektivt når det gjelder tilveiebringelse av dempevirkning. Videre sammenpresses, når anordningen er sammensatt, elastomermaterialet ifølge patentet i det plan hvor vekten svinger eller vibrerer, mens det kan være ønskelig med en sammenpressing i en retning vinkelrett på vektlegemets bevegelse.

Svensk utlegningsskrift 441,323 er rettet mot en vibrasjonsdemper av den ovennevnte Stockbridge-typen, hvor stålvaiere benyttes som dempemekanisme. Forskjellige dempningsmasser er foreslått. Ulikt de andre kjente anordninger har oppfinneren i det nevnte utlegningsskrift løst det problem som spesielt skyldes bruken av elastomere dempningslegemer. Men anordningen som er vist i utlegningsskriftet kan ikke kalles kompakt, slik det åpenbart vil være ønskelig. I den kjente anordning ifølge det svenske utlegningsskriftet strekker kabler og vekter seg i forskjellige retninger, og beveger seg likeledes i forskjellige retninger når en føringskabel eller ledekabel som anordningen er festet til, kommer i vibrasjonsbevegelse.

Ved konstruksjonen av den foreliggende oppfinnelsens demper, ble approksimasjoner vedrørende seismisk masse, massens treghets-radius, massens tyngdepunktplassering og visse andre mål bestemt ved hjelp av datamaskinsimulering. Simuleringen viste at en yod demperanordnings dimensjoner satte visse krav til massens fjæringskonstant i forhold til dens opphengsklemme både for vertikal og horisontal bevegelse og til fjæringskonstanten ved rotasjon. Da disse fjæringskonstantene ble søkt oppnådd i en praktisk konstruksjon, ble det funnet at de ikke kunne opnåes samtidig unntatt ved en meget spesiell utforming.

Det bør forstås at demperelastomerer var ment å brukes i den foreliggende oppfinnelsens fjærlignende elementer fordi slike materialers karakteristikk innebærer tilstrekkelige hysterese til at der ikke trenges noen annen energisprednings-kilde'. Disse materialene kan også fremstilles i en hvilken som helst ønsket form på en lettvint og økonomisk måte. Imidlertid er elarjtomerers dempekapasitet størst når de formforandres ved skjærpåkjenning snarere enn ved strekkpåkjenning slik at de anvendes best i form av klosser eller puter som sammenkobler legemer ved nevnte legemers motstående parallelle overflate, hvor overflatene velges slik at deres relative bevegelser ved vibrasjon bare induserer skjærkrefter i klossene og ikke kompresjons-, strekk- eller vippe-krefter. Klossene har jevn tykkelse slik at de fyller rommet mellom de motstående og parallelle overflatene, men deres tverrsnittsform (i plan parallelle med disse overflatene) er generelt ikke belastet med restriksjoner på grunn av betraktninger vedrørende dempnings-effektiviteten. Der anvendes vanligvis former som er lette å fremstille. For eksempel har elastomerklossene som brukes for oppheng av motorer i mange biler kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt.

Det bør også forstås at der hvor elastomerputens fjærkonstant og styrke er av viktighet så kan valg og kompromisser gjøres innen (1) elastomersammensetning, (2) putens tykkelse og (3) putens tverrsnittsareal. Den tilgjengelige overflod på muligheter sikrer generelt at et lite antall nødvendige karakteristika (fjærkonstant og styrke) kan oppnås i tilfreds-stillende grad. Denne letthet hvorved en ønsket kombinasjon av karakteristika kunne oppnås var imidlertid ikke til stede ved valg av klosser eller puter for den foreliggende oppfinnelsen. Kravet om at elastomeropphengningens fjærkonstant i rotasjon skulle ha en viss verdi eller, mer eksakt, stå i et visst forhold til fjæringskonstaten ved rettlinjet bevegelse, ga kraftige restriksjoner på valget av utforming av elastomerklossen.

Restriksjonene reflekterer på konflikten mellom tre krav. Det første kravet var at forholdet mellom fjærkonstantene ved rotasjon og rettlinjet bevegelse skulle ha en viss verdi. Dette forholdet er i praksis lik middelverdien av kvadratet på klossens tverrsnittsradius. Hvis klossen, f.eks., har form av en tynn ring med en viss radius så er forholdet mellom fjærkonstantene ved rotasjon og rettlinjet bevegelse lik kvadratet på den radien. For tverrsnitt med annen utforming er utregningen av middelverdien av kvadratet på radien mer komplisert, men der finnes matematikktabeller som gir sådan informasjon for mange utfor-minger.

Det andre kravet som bidrar til konflikten henger sammen med klossens styrke. To typer styrke har betydning. Den ene var styrken med hensyn på vibrasjonsbevegelsene som demperen blir utsatt for. Disse bevegelsene vil utsette klossen for skjærpåkjenninger og kan føre til avrivning eller tretthets-brudd i elastomeren hvis skjærpåkjenningéne for elastomeren ble for store. Disse påkjenningene kan minskes ved å bruke klosser med så stor tykkelse at den relative bevegelsen méllom de motstående parallelle overflatene absorberes ved hjelp av et tykt elastomermateriale. Det andre styrkekravet kommer i betraktning når klossen har så stor tykkelse, men så lite tverrsnitt at den kan betraktes som en søyle eller en vegg som utsettes for knekking eller buling.' Den enkleste måten å bygge oppfinnelsens dempere på er ofte å komprimere dem slik at de ligger lagvis hvor klossene holdes på plass ved hjelp av sam-mentrykningen som forklart nedenfor. Sannsynligheten for at klossene skal knekke eller bule kan minskes ved å bruke generelt tykke klosser.

Når disse to styrkehensyn sammenholdes fører det til bruk av puter som er tykke og korte,d.v.s. at diameteren er lik eller større enn omtrent halve tykkelsen. Kravet til et visst forhold mellom fjæringskonstantene ved rotasjon og rettlinjet bevegelse betyr at denne diameteren må være dobbelt så stor som kvadratroten av dette forholdet.

Det tredje kravet som bidrar til konflikten er det faktum at elastomerer som har de ønskede egenskaper over et temperatur-område som er stort nek til at de passer for bruk på overførings-linjer også er ganske stive, d.v.s. at de har forholdsvis høy skjærmodul. Virkningen av dette er at puter som har stor nok diameter,slik at kravet om fjærkonstantforholdet er oppfylt,

og med liten nok tykkelse,slik at de kan betraktes som tykke, også er alt for stive.

Muligheten for å utforme klossen som en ring for å redusere stivheten ved å redusere klossens areal ble undersøkt. Forholdet mellom fjærkonstantene kan bibeholdes ved å gi ringen en radius som er lik kvadratroten av forholdet mellom de naturlige svingetallene. Da arealet ble redusert nok ved bruk av denne fremgangsmåten, ble imidlertid ringens veggtykkelse (i radiell retning) liten i forhold til klossens tykkelse og faren for at veggen skulle bryte sammen oppsto en virkning som best kan illustreres ved hva som skjer når man trår på enden av en ølboks. Det er denne kombinasjon av begrensninger som utgjør problemet

som den foreliggende oppfinnelsen tar opp.

Problemets størrelse forsterkes av det faktum at en praktisk konstruksjon går sterkt i retning av å bruke ikke én,men to klosser i demperen,slik at treghetsmassen kan lages i to halv-deler som ved sammenstilling omslutter mellom seg de to elastomerklossene som i sin tur mellom seg holder en tunge, forlengelse eller arm som igjen er en del av klemanordningen som festes på ledningen. I en slik konstruksjon vil det at antall puter eller klosser dobles bety at elastomeropphengets effektive fjærkonstanter dobles fordi klossene mekanisk sett virker i parallell.

For å gjenvinne fjæringskonstantene som én enkelt kloss ga er

det nødvendig å doble tykkelsen til hver av de to klossene, noe som i enda større grad utsetter veggene deres for buling.

Løsningen på dette problemet,som er oppfinnelsens hoved-formål, er å konsentrere dempe pute-områdene i to motstående søyler som har en avstand fra hverandre lik den midlere kvadrat-rotverdien av den ovennevnte putens radius. En slik utforming gir den mest stabile søylen for å bære en kompresjonslast og for å holde en lagdelt konstruksjon sammen. Ved å bruke det minste antall slike søyler fåes den største stabiliteten med hensyn på "fyldighet" som kan oppnås med et begrenset pute-

areal. To slike puter eller søyler er det minimumantall som kan spre elastomerføttene til den ønskede radius.

Et annet formål med oppfinnelsen er å oppnå en kombinasjon

av (1) en rettlinjet fjærkonstant, (2) et forutbestemt forhold mellom fjærkonstantene ved rotasjon og rettlinjet bevegelse og (3) at elastomeropphengingen har en passende styrke, noe som hittil har vært uoppnåelig, slik at den ovennevnte datamaskin-analyses krav tilfredsstilles. Et resultat av dette er en meget kompakt og effektiv demperanordning.

Oppfinnelsens konsentrerte elastomerputer eller elasto-meranordninger er plassert på en kraftsirkel som ligger i et plan som gir anordningens treghetsvekt eller treghetsmasse vertikale og horisontale frihetsgrader i forhold til kleminn-retningens arm. Elastomeranordningene er klemt mellom armen og treghetsvekten, og bærer treghetsvekten på armen. Treghetsvektens tyngdepunkt er forskjøvet 40 til 50° i forhold til vertikalen,og har en slik avstand fra kraftsirkelens senter at når konstruksjonen som anordningen er festet til,beveger seg vertikalt, påføres elastomeranordningene en skjærbevegelse i vertikal retning. Skjærbevegelse påføres også i horisontal retning på grunn av at massen som arbeider mot klemarmen har sitt tyngdepunkt forskjøvet i forhold til denne. På grunn av treghetsvektens tyngdepunktsforskyvning omformes også vektens vertikalbevegelse til en roterende bevegelse om dempekonstruk-sjonens kraftsirkelsenter i vertikalplanet og horisontalplanet, og dette resulterer i en torsjonsvirkning eller vridende virkning i elastomeranordningene. Således er bevegelsene som demperens vekt utfører ved drift under vibrasjon, vertikal, horisontal og roterende bevegelse, og alle sammen i det planet hvor elastomerputene skjærpåkjennes i forhold til opphengnings-klemmens arm eller forlengelse. Oppfinnelsens primærhensyn er fjærkonstantene som elastomerpute-systemet begrenser og styrer disse bevegelser med. Oppfinnelsen tillater at den kombinasjonen av fjærkonstanter som datamaskinsimuleringen viste som ønskelige, kan realiseres i praksis.

Den nøyaktige definisjon av oppfinnelsen er å finne i de vedføyde patentkrav.

Den foreliggende oppfinnelsen vil best forstås ut fra gjennomgang av den etterfølgende detaljerte beskrivelsen sammen med de medfølgende tegningene, hvor: figur 1 og 2 viser skjematiske sideriss av to av oppfinnelsens utførelser,

figur 3 er et skjematisk tverrsnitt av oppfinnelsens demperanordning, sett i knekkplanet angitt ved 3-3 i figur 1, og

figur 4 viser skjematisk fire elastomerdemperkonstruksjoner plassert på en demperkraftsirkel.

Det vises nå til tegningenes figur 1-3 hvor en demperanordning ifølge oppfinnelsen er skjematisk vist. Anordningen omfatter innretning 12 hvis ene ende brukes for fastklemming til en konstruksjon 14 som utsettes for vibrasjon i vertikal-retning slik som f.eks. en elektrisk luftspennledning og en annen ende (eller ender i figur 2) som bærer en treghetsvektdel eller masse 16. For å bære vektdelen på kleminnretningen eller klemarmen er der minst to elastomerklosser eller elastomer-konstruks joner 18 og 19 i en avstand fra hverandre og dette sees best i det tverrsnitt av anordningen som er avbildet på figur 3. For å detaljere videre så har vektdelen en avstand fra kleminnretningen slik at det anordnes et rom på kleminnret-ningens motstående sider for å motta elastomerene. Dette gir en lagvis oppbygning som omfatter vekten på utsiden som to ut-vendige lag 16A av lagkonstruksjonen og kleminnretningen 12

som et midlere eller mellomliggende lag. Mellom disse tre lagene er der plassert elastomerklosser for å fullstendiggjøre lagkonstruksjonen. Elastomerene kan være delt i to (a og b i fig. 3) eller 18 og 19 kan være enhetlige klosser som strekker seg gjennom åpninger anordnet i arm 12.

Elastomerer 18 og 19 er, i tillegg, diametralt plassert

på en kraftsirkel 20 (vist ved brutt linje i figurene 1 og 2) som har et kraftsenter CE når arbeid utføres på elastomerene, som forklart nedenfor, for å anordne demping. Kraftsirkelen 20 har radius lik middelverdien av kvadratroten av demperkloss-radien som beskrevet ovenfor for å gi det ønskede forholdet mellom fjærkonstantene ved rotasjon og rettelinjet bevegelse. Elastomerene 18 og 19 (på sirkel 20) har søyleform for å gi

den styrke som er nødvendig for demperinnretninger. Søylens lengde er forholdsvis kort for å gi en forholdsvis fyldig konstruksjon for å minske knekk-tendensen eller bule-tendensen som beskrevet ovenfor.

Således er der, ved riktig valg av dimensjoner for elastomerer 18 og 19 og ved å konsentrere disse på en kraftsirkel 20

med diameter lik eller større enn to ganger kvadratroten av det ovenfor krevde forholdet mellom roterende fjærkonstant og rettlinjet fjærkonstant, anordnet en forholdsvis sterk men samtidig ettergivende konstruksjon som tillater at elastomerene arbeider.

Vekten 16 er plassert slik i forhold til elastomerene at dens tyngdepunkt CG har en avstand fra, men ligger på samme linje som elastomerenes kraftsenter CE og er forskjøvet i forhold til dette ved en vinkel som er mellom 40 og 50° med vertikalen og horisontalen. Dette gir vekten en effektiv arm og elastomerene i det alt vesentlige like fjærkonstanter for rene vertikal- og rene horisontal-bevegelser av kleminnretningen og vekten når konstruksjonen 14 vibrerer. I tillegg anordnes der roterende bevegelse av vekten om elastomerenes kraftsenter og i deres kraftsirkelplan når 14 vibrerer ettersom vekten har et visst treghetsmoment i et plan parallelt med kraftsirkelen.

Figur 1 og 2 viser utførelser hvor elastomerene 18 og 19 har to forskjellige plasseringer på kraftsirkelen 20. Elasto-merenes plassering på kraftsirkelen har ingen betydning for oppfinnelsens formål når unntas at de må være klumpet sammen eller konsentrert på diametralt motsatte plasser på sirkelen, og at tyngdepunktet CG til vekten 16 må ligge på en linje som strekker seg gjennom sirkelens sentrum og har den ovennevnte vinkelen på mellom 40 og 50°.

For eksempel må, hvis de to elastomerklossene 18 og 19 som er vist i tverrsnittet i figur 3, i virkeligheten omfatte fire elementer, d.v.s. to (18a og 19a, og 18b og 19b) på hver side av klemarmen 12, de to klossene på hver side være diametralt motsatt på kraftsirkelen, men de to på den ene siden kan dreies i forhold til de andre, i figur 4 er de dreiet 90°,

en hvilken som helst dreiningsvinkel eller ingen dreining for å gi effektiv og virkningsfull dempning.

Størrelsen (massen) av 16 og dens kraftarmlengde (fra CE) er slik at når konstruksjonen 14 hvortil anordning 10 er festet vibrerer vertikalt og den resulterende vibrerende bevegelsen av klemarm 12 gir skjærpåkjenninger i elastomerkonstruksjonene på grunn av tregheten til 16 og dette gjør at elastomerene arbeider ved vibrasjons frekvensen og produserer varme (hysterese-tap) i elastomerene så sprees varme til atmosfæren raskere enn vinden leverer energi til konstruksjonen hvis konstruksjonen er en luftspennledning. På denne måten dempes vibrasjonene til 14.

For å forklare nærmere så er den vibrerende bevegelsen til vekten 16 som setter elastomerene i arbeid vertikal, horisontal og/eller roterende og det ovennevnte forholdet mello.Ti roterende og rettlinjet fjærkonstant gir stor dempevirkningsgrad.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet ved hjelp av foretrukne utførelser, så er de vedheftede krav ment å omfatte alle ut-førelser som faller innen oppfinnelsens ramme.

Claims (2)

1. Vibrasjonsdemper omfattende en arm (12), en kleminnretning for feste av armen (12) til en vibrerende gjenstand som skal dempes, og en treghetsvekt (16) opphengt i nevnte arm (12) ved hjelp av elastomer-anordninger slik at treghetsvekten (16) kan foreta translasjon i-armens (12) plan og rotasjon omkring en akse som står normalt på dette planet, karakterisert ved at elastomer-anordningene omfatter minst to elastomerputer (18, 19) i avstand fra hverandre i armens (12) plan, hvilke elastomerputer (18, 19) virker i en skjærmodus mellom armen (12) og treghetsvekten (16), idet avstanden mellom elastomerputene (18, 19) er valgt for å oppnå et ønsket forhold mellom deres rotasjonsmessige og translasjonsmessige fjærkonstanter for bevegelse av treghetsvekten (16) i forhold til armen (12), og hvor en linje trukket gjennom treghetsvektens (16) sentrum og virkningssenteret for elastomerputene (18, 19), danner en vinkel på 40-50° med vertikalen.

2. Vibrasjonsdemper ifølge krav 1, karakterisert ved at elastomer-anordningene omfatter to par elastomerputer (18a, 18b; 19a, 19b), med de samhørende putene i de to parene anordnet diametralt motsatt hverandre i putenes kraftsirkel (20).