TWI703283B - 旋轉慣性質量阻尼器 - Google Patents

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日商蒂業技凱股份有限公司
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Abstract

一種旋轉慣性質量阻尼器，係在具有過大加速度的振動受到輸入的情形下，能夠將對應該輸入振動所產生的軸方向反作用力抑制得盡可能為小，而能夠事先防止阻尼器本身、或是構造物的破損，其係具備：第一連結部(10)，係固定於第一構造體；第二連結部(11)，係連結於第二構造體；螺桿軸(30)，係一方的軸端連接於前述第一連結部而被保持為無法旋轉；固定筒(20)，係具有收容前述螺桿軸的中空部，並且連接於前述第二連結部；以及旋轉體(40、50、60)，係被保持為對於前述固定筒(20)旋轉自如並且螺合於前述螺桿軸，並對應於前述螺桿軸對於前述固定筒的進退往復旋轉；於前述螺桿軸的軸端與前述第一連結部之間，係設置有：轉矩限制構件(3)，係在對於前述螺桿軸作用有超過預定值之旋轉轉矩時，容許前述螺桿軸(30)對於前述第一連結部(10)的旋轉而減低前述旋轉體的旋轉角。

Description

旋轉慣性質量阻尼器
本發明，係有關於安裝在建築物等構造物，並用以減輕作用於該構造物的振動的旋轉慣性質量阻尼器。
作為旋轉慣性質量阻尼器，係已知有如專利文獻1所揭示者。該旋轉慣性質量阻尼器，係具備：螺桿軸，係具有螺旋狀的公螺桿，並且一端固定於構造物；螺帽構件，係螺合於該螺桿軸；外筒，係旋轉自如地支承前述螺帽構件，並且固定於構造物；以及附加錘，係藉由前述螺帽構件被賦予旋轉。
若因地震等而使前述構造物所產生之相對振動輸入至前述螺桿軸與前述外筒之間，則伴隨著該振動，於前述螺桿軸產生軸方向加速度，且該軸方向加速度係被轉換為螺合於前述螺桿軸的前述螺帽構件的角加速度。該角加速度，係傳遞至承載於前述螺帽構件的前述附加錘，而於該等螺帽構件及附加錘產生旋轉。前述螺帽構件及前述附加錘成為一體而構成旋轉體，該旋轉體所產生的旋轉 轉矩，係以該旋轉体的慣性力矩與前述角加速度的乘積表示。並且，該旋轉轉矩，係每當前述螺桿軸的軸方向加速度反轉，則藉由前述螺帽構件及螺桿軸受到逆轉換，而對於該螺桿軸作為軸方向的反作用力而作用。
如此，若使用前述螺帽構件螺合於前述螺桿軸的滾珠螺桿裝置，將作用於前述構造物的振動轉換為前述旋轉體之旋轉運動，則在前述螺桿軸的軸方向加速度轉換為前述螺帽構件的角加速度時，以對應於前述螺桿軸的公螺桿的導程(lead)的增幅率受到增幅。另外，在將前述旋轉體產生的旋轉轉矩逆轉換為前述螺桿軸的軸方向反作用力時，該旋轉轉矩亦以對應於前述公螺桿的導程的增幅率受到增幅。因此，前述旋轉慣性質量阻尼器，係即使在前述旋轉體的質量較小的情形亦能夠將較大的反作用力賦予螺桿軸，能夠一面達成裝置的小型化一面獲得較大的振動降低效果。
另一方面，因前述旋轉體所產生的旋轉轉矩係以該旋轉体的慣性力矩與前述角加速度的乘積表示，故從構造物對於前述螺桿軸輸入過大的軸方向加速度，其受到增幅而於前述螺帽構件產生過大的角加速度，則前述旋轉體所產生之旋轉轉矩亦成為過大者。因此，若該旋轉轉矩直接逆轉換為螺桿軸的軸方向反作用力，則有前述螺桿軸或前述螺帽構件破損之虞，另外，即使該等螺桿軸及螺帽構件未破損，仍有來自該旋轉慣性質量阻尼器之過大的軸方向反作用力作用於構造物，而有該軸方向反作用力導 致構造物破損之虞。
關於該點，於專利文獻1所示之旋轉慣性質量阻尼器，係在前述螺帽構件與前述附加錘之間設置摩擦構件，而設定了前述螺帽構件與前述附加錘之間所傳遞的旋轉轉矩的上限值。因此，若前述螺帽構件與前述附加錘之間所傳遞的旋轉轉矩超過前述摩擦構件所設定的上限值，則前述螺帽構件從前述附加錘切離，使前述旋轉體的慣性力矩為僅由前述螺帽構件所致者。藉此，逆轉換為前述螺桿軸的軸方向反作用力的旋轉轉矩係受到抑制，而能夠防止過大的軸方向反作用力作用於前述螺桿軸。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2011-144831號公報
然而，於專利文獻1所揭示之旋轉慣性質量阻尼器，因前述螺帽構件與前述附加錘之間設置有前述摩擦構件，故假使摩擦構件滑動而使前述附加錘與前述螺帽構件分離，前述螺帽構件本身亦會以將前述螺桿軸的軸方向加速度增幅了的角加速度作旋轉。因此，雖然旋轉體的慣性力矩係成為僅由螺帽構件所致者，然若對於前述螺桿軸輸入有過大的軸方向加速度，則有其受到增幅而於前述螺帽構件產生大的旋轉轉矩，而該旋轉轉矩受到逆轉換而 產生大的軸方向反作用力之情事，故有該軸方向反作用力導致構造物破損之虞。
本發明係有鑑於如此問題而完成者，其目的在於提供一種旋轉慣性質量阻尼器，該旋轉慣性質量阻尼器係在具有過大加速度的振動受到輸入的情形下，能夠將對應該輸入振動所產生的軸方向反作用力抑制得盡可能為小，而能夠事先防止阻尼器本身、或是構造物的破損。
亦即，本發明係一種旋轉慣性質量阻尼器，係具備：第一連結部，係固定於第一構造體；第二連結部，係連結於第二構造體；螺桿軸，係於外周面以預定的導程形成有螺旋狀的螺紋溝，並且一方的軸端連接於前述第一連結部而保持為無法旋轉；固定筒，係具有收容前述螺桿軸的中空部，並且連接於前述第二連結部；以及旋轉體，係被保持為對於前述固定筒旋轉自如並且螺合於前述螺桿軸，並對應於前述螺桿軸對於前述固定筒的進退往復旋轉；將完全由前述第一連結部與前述第二連結部之間的距離的變動以及前述螺桿軸的導程所決定之旋轉角賦予前述旋轉體，而使作用於前述第一構造體與前述第二構造體的振動能衰減。並且，於前述螺桿軸的軸端與前述第一連結部之間，係設置有：轉矩限制構件，係在對於前述螺桿軸作用有超過預定值之旋轉轉矩時，容許前述螺桿軸對於前述第一連結部的旋轉而減低前述旋轉體的旋轉角。
依據本發明，若起因於作用在前述第一構造體與第二構造體之振動而對於前述螺桿軸作用有超過預定值的旋轉轉矩，則設置在前述第一連結部與前述螺桿軸的軸端之間的轉矩限制構件產生作用，前述螺桿軸旋轉而形成於該螺桿軸的公螺紋溝的導程係擬似性地增加。藉此，能夠將前述旋轉體所產生的角加速度抑制得較小，並能夠將對應於輸入振動所產生的軸方向反作用力抑制得較小，而能夠事先防止阻尼器本身或是構造物的破損。
1‧‧‧旋轉慣性質量阻尼器
2‧‧‧阻尼器本體
3‧‧‧轉矩限制構件
10‧‧‧第一連結部
11‧‧‧第二連結部
20‧‧‧固定筒
21‧‧‧球接頭
30‧‧‧螺桿軸
31‧‧‧外筒構件
32‧‧‧傳遞軸
33‧‧‧旋轉軸承
34‧‧‧摩擦構件
35‧‧‧蓋構件
36‧‧‧連結軸
37‧‧‧鍔部
38‧‧‧調整螺絲
40‧‧‧螺帽構件
50‧‧‧軸承殼體
60‧‧‧飛輪
61‧‧‧端板
80‧‧‧轉子構件
[第1圖]係表示本發明之旋轉慣性質量阻尼器之一例的示意圖。
[第2圖]係表示構成旋轉慣性質量阻尼器的阻尼器本體之一例的立體圖。
[第3圖]係表示構成旋轉慣性質量阻尼器的轉矩限制構件之一例的立體圖。
以下，一邊使用所附圖式一邊詳細說明本發明之旋轉慣性質量阻尼器。
第1圖係表示運用了本發明之旋轉慣性質量 阻尼器之一例者。該旋轉慣性質量阻尼器1，係具備固定於包含例如大樓、塔、橋樑等構造物的系統內的各個部位(第一構造體及第二構造體)的第一連結部10及第二連結部11。所謂包含構造物的系統，係包含固定有該構造物之基礎地層之意，且包含除了在例如構造物的內部配置有衰減裝置的情形之外，前述第一連結部10固定於構造物，第二連結部11固定於基礎地層之情形。
若前述構造物振動，則於固定在包含該構造物的系統之各個部位的前述第一連結部10與第二連結部11之間係產生軸方向之相對位移，本發明之旋轉慣性質量阻尼器1係將該相對位移藉由以螺桿軸及螺帽構件所成之螺桿轉換機構轉換為飛輪(flywheel)的旋轉運動。由前述飛輪及前述螺帽構件所成之旋轉體所產生的旋轉轉矩係藉由前述螺桿轉換機構而逆轉換為前述螺桿軸的軸方向反作用力，使前述相對位移所產生的振動能藉由該軸方向反作用力減衰。
該旋轉慣性質量阻尼器1，係大致可分為由阻尼器本體2、以及與前述阻尼器本體2串聯連結的轉矩限制構件3所構成。前述轉矩限制構件3係設置於前述阻尼器本體2與前述第一連結部10之間，前述阻尼器本體2係設置於前述轉矩限制構件3與前述第二連結部11之間。
第2圖，係表示前述阻尼器本體之一例的立體圖。前述阻尼器本體2，係具備：固定筒20，係形成為 具有中空部的圓筒狀；螺桿軸30，係對於該固定筒20的中空部作插入；螺帽構件40，係透過複數個滾珠螺合於該螺桿軸30；圓筒狀之軸承殼體50，係對於前述固定筒20旋轉自如地受到支承，並且與前述螺帽構件40結合；圓筒狀之飛輪60，係固定於該軸承殼體50；以及轉子構件80，係對於前述固定筒20旋轉自如地受到支承，並且對於前述飛輪60作結合。
前述固定筒20，係透過球接頭21結合於前述第二連結部11。前述球接頭21，係構成為吸收前述固定筒20的中心軸對於前述第二構造體之角度位移，並且卡止繞前述固定筒20的中心軸的旋轉。另外，前述轉矩限制構件3亦同樣地透過球接頭結合於前述第一連結部10。
前述固定筒20與前述軸承殼體50之間係設置有軸承(未圖示)，前述軸承殼體50係對於前述固定筒20旋轉自如地受到支承。另外，於前述軸承殼體50的軸方向的一端係固定有前述螺帽構件40，該螺帽構件40亦構成為若旋轉則軸承殼體50與螺帽構件40一起對於前述固定筒20產生旋轉。
前述螺桿軸30及螺帽構件40係構成所謂滾珠螺桿裝置。於前述螺桿軸的外周面係以預定的導程形成有螺旋狀的螺紋溝，內置於前述螺帽構件的複數個滾珠係於前述螺紋溝內滾動。藉此，於前述螺桿軸30與前述螺帽構件40之間能夠將軸方向的直線運動與前述螺桿軸周 圍的旋轉運動作相互轉換，若對於前述螺桿軸30賦予軸方向的直線運動，則前述螺帽構件40於前述螺桿軸30的周圍產生旋轉運動，並且，若賦予前述螺帽構件40旋轉運動，則前述螺桿軸30朝向軸方向產生直線運動。
因前述螺桿軸30的軸端係透過前述轉矩限制構件3固定於第一構造體，故當地震等導致前述第一連結部10與前述第二連結部11之間產生相對位移，而該螺桿軸30朝向軸方向產生直線運動，則對應於此，螺帽構件40係於螺桿軸30的周圍旋轉，且該旋轉被傳遞至前述軸承殼體50。又，從前述飛輪60突出的螺桿軸30的一端係設置有後述之傳遞軸32，該傳遞軸32係插入至前述轉矩限制構件3。
於前述軸承殼體50的外側，係設置有圓筒狀的飛輪60。該飛輪60係固定於前述軸承殼體50，並構成為與前述螺帽構件40及前述軸承殼體50一體地旋轉。另外，因前述軸承殼體50係能夠對於固定筒20自由地旋轉，故前述飛輪60係能夠對於前述固定筒20自由地旋轉。
另一方面，於前述固定筒20的周圍係設置有前述轉子構件80。該轉子構件80，係構成為透過旋轉軸承而被支承於固定筒20的外周面，並且透過端板61結合於前述飛輪60，伴隨著前述飛輪60的旋轉而於前述固定筒20的周圍旋轉。
前述轉子構件80的內周面，係與固定筒20 的外周面隔著些微的間隙相對向，該間隙係黏性流體的密閉空間。因此，當轉子構件80旋轉，則剪切阻力作用於填充於前述密閉空間的黏性流體，轉子構件80的旋轉運動的能量、甚至是飛輪60的旋轉運動的能量係衰減。
第3圖係表示前述轉矩限制構件3之一例者。該轉矩限制構件3，係具備：外筒構件31，係形成為具有中空部的圓筒狀；傳遞軸32，係插入至前述外筒構件31的中空部內；旋轉軸承33，係配置於前述外筒構件31的中空部內，並於該中空部內保持前述傳遞軸32；以及複數個摩擦構件34，係被壓抵於前述傳遞軸32，並卡止該傳遞軸32對於前述外筒構件31的旋轉。
形成於前述外筒構件31的中空部，係軸方向的一端藉由蓋構件35所封塞。於該蓋構件35的中央係固定有連結軸36，且雖於第3圖受到省略，於該連結軸36的前端係一體地設置有球柱栓(ball stud)。前述球柱栓係透過球接頭卡合於前述第一連結部10，且吸收旋轉慣性質量阻尼器1對於前述第一構造體的角度位移。
於前述外筒構件31的中空部係插入有前述傳遞軸32。該傳遞軸，係與前述螺桿軸30呈一體旋轉而傳遞旋轉轉矩，並且在與該螺桿軸之間傳遞軸方向負載(軸力)者，與前述螺桿軸形成為一體亦可，或者藉由接頭與螺桿軸連結亦可。為了一邊負荷作用於前述外筒構件31與前述傳遞軸32之間的徑向負載及推力負載，一邊將該傳遞軸32保持為對於前述外筒構件31旋轉自如，作為前 述旋轉軸承33係使用一對的複列滾輪軸承。各複列滾輪軸承係所謂的斜角接觸軸承(angular contact bearing)，並具有自轉軸以90度的角度作交叉之2列的滾輪列，構成各滾輪列的滾輪的自轉軸係對於前述傳遞軸32的軸方向以45°的角度傾斜。藉此，能夠在前述外筒構件31與前述傳遞軸32之間傳遞大的軸方向負載。
進而，前述複數個摩擦構件34係在前述外筒構件31與前述傳遞軸32之間，以包圍該傳遞軸32的方式作配置，並接觸於突出前述傳遞軸32的外周面的鍔部37。各摩擦構件34係無法朝向前述外筒構件31的周方向移動，並且配置為朝向半徑方向移動自如。於前述外筒構件31係螺合有複數個調整螺絲38，藉由緊固各調整螺絲38，前述摩擦構件34係朝向前述傳遞軸32的鍔部37進出，並能夠調整前述摩擦構件34對於前述鍔部37的按壓力。亦即，在前述摩擦構件34與前述鍔部37之間，係作用有對應於前述調整螺絲38的緊固量的摩擦力，前述摩擦構件34係作為停止前述傳遞軸32的旋轉的制動片而發揮功能。
因此，假設在旋轉轉矩作用於前述傳遞軸32的狀態下，前述鍔部37與前述摩擦構件34之間所產生的摩擦力若大至足以對抗前述旋轉轉矩而將前述傳遞軸32保持為非旋轉的程度，則前述傳遞軸被保持為對於前述外筒構件31為非旋轉。相反地，若前述鍔部37與前述摩擦構件34之間所產生的摩擦力小，則前述摩擦力係無法對 抗前述旋轉轉矩而停止前述傳遞軸32的旋轉，故該傳遞軸32係對於前述外筒構件31產生旋轉。
亦即，前述轉矩限制構件3係作為轉矩限制器而發揮功能，只要作用於前述傳遞軸的旋轉轉矩、換言之係作用於前述螺桿軸的旋轉轉矩，係藉由前述調整螺絲的緊固而為所設定的制限轉矩以下，則前述傳遞軸32及前述螺桿軸30係被保持為不致對於前述外筒構件31旋轉。另一方面，若作用於前述螺桿軸30的旋轉轉矩超過藉由前述調整螺絲38的緊固所設定的限制轉矩，則前述傳遞軸32及前述螺桿軸30對於前述外筒構件31產生旋轉。
於如此構成之旋轉慣性質量阻尼器1，係當前述第一連結部10與第二連結部11之間作用有相對的振動，則軸方向負載係在前述轉矩限制構件3與前述螺桿軸30之間受到傳遞，故於前述螺桿軸30作用有軸方向加速度，前述振動係成為對於前述固定筒20之朝向螺桿軸30的軸方向之直線運動。此時，作用於前述螺桿軸30的軸方向加速度a，係藉由以下的式(1)被轉換為前述螺帽構件40的角加速度α。於式(1)中，L0係形成於前述螺桿軸30的螺紋溝的導程。另外，在前述螺帽構件40、前述軸承殼體50、以及前述飛輪60呈一體的旋轉體，係作用有角加速度a所造成的旋轉轉矩。該旋轉轉矩T，係藉由以下的式(2)所表示。於該式(2)中的I，係由前述螺帽構件40、前述軸承殼體50、以及前述飛輪60所構成 的旋轉體之慣性力矩。
α=(2π/L0)×a (1)
T=I×α=I×(2π/L0)×a (2)
前述旋轉體所產生的旋轉轉矩T係藉由前述螺帽構件40而受到再轉換，成為軸方向的慣性力Q。該軸方向慣性力Q，係藉由以下的式(3)作表示。
Q=T×(2π/L0)=(2π/L0)2×I×a=M×a (3)
如該式(3)所示，軸方向慣性力Q係能夠視為軸方向加速度a與對於軸方向之等價的質量M=(2π/L0)2×I的乘積，亦可謂該旋轉慣性質量阻尼器1係具有對於軸方向等價的質量M之阻尼器。
如自式(1)~(3)可知，若前述旋轉體的慣性力矩I越小、或是前述螺桿軸30的導程L0越大，則軸方向之等價的質量M變小，假使作用於前述螺桿軸30的軸方向加速度為一定，則作用於前述旋轉體的旋轉轉矩T、作用於前述螺桿軸30及前述固定筒20的軸方向反作用力變小。
若軸方向加速度a作用於前述螺桿軸30，而藉此於前述旋轉體(前述螺帽構件40、前述軸承殼體50及前述飛輪60)產生旋轉轉矩T時，作為其反作用力，係對於前述螺桿軸30作用有相同大小的反方向之旋轉轉矩。因插入至前述轉矩限制構件3的前述傳遞軸32係與 前述螺桿軸30一體設置，前述旋轉轉矩T係直接作用於前述轉矩限制構件3的傳遞軸32。
當作為轉矩限制器之前述轉矩限制構件3對抗前述旋轉轉矩T而將前述傳遞軸32保持為非旋轉時，亦即當前述螺桿軸30不產生旋轉而與前述固定筒20之間產生直線運動時，係於前述旋轉體賦予對應於前述螺桿軸30的螺紋溝的導程之旋轉角。
另一方面，當作用於前述螺桿軸30的旋轉轉矩T較大，而前述轉矩限制構件3無法將前述傳遞軸32保持為非旋轉時，亦即當前述螺桿軸30對於前述固定筒20產生旋轉時，該螺桿軸30係一邊對於前述螺帽構件40產生旋轉一邊對於前述固定筒20朝向軸方向直線運動。此時，即使朝向前述螺桿軸的軸方向的移動量相同，前述螺帽構件40的旋轉角與該螺桿軸30被保持為非旋轉的情形相比係減少，而前述螺桿軸30的導程L0係擬似性地增大。
亦即，於該第一實施形態的旋轉慣性質量阻尼器1中，當超過前述轉矩限制構件3所設定的限制轉矩的旋轉轉矩作用於前述螺桿軸30，則該螺桿軸產生旋轉，而該螺桿軸的導程L0擬似性地增大，藉此旋轉轉矩T及軸方向慣性力Q係減少。特別是，如式(3)所示，軸方向慣性力Q係與前述螺桿軸30的導程L0的平方之倒數成比例，若導程L0增加，則軸方向慣性力Q係大幅減少。
因此，當安裝了該旋轉慣性質量阻尼器1的構造物因巨大地震等而振動，在前述第一連結部10與前述第二連結部11之間產生過大的加速度之軸方向位移時，前述螺桿軸30係旋轉，藉此作用於前述旋轉體的旋轉轉矩T係被抑制為前述轉矩限制構件3所設定的限制轉矩的範圍內，故而自旋轉慣性質量阻尼器作用於構造物的軸方向反作用力亦受到抑制。
3‧‧‧轉矩限制構件
31‧‧‧外筒構件
32‧‧‧傳遞軸
33‧‧‧旋轉軸承
34‧‧‧摩擦構件
35‧‧‧蓋構件
36‧‧‧連結軸
37‧‧‧鍔部
38‧‧‧調整螺絲

Claims (2)

  1. 一種旋轉慣性質量阻尼器，係具備：第一連結部(10)，係固定於第一構造體；第二連結部(11)，係連結於第二構造體；螺桿軸(30)，係於外周面以預定的導程形成有螺旋狀的螺紋溝，並且一方的軸端連接於前述第一連結部而保持為無法旋轉；固定筒(20)，係具有收容前述螺桿軸的中空部，並且連接於前述第二連結部；以及旋轉體(40、50、60)，係被保持為對於前述固定筒(20)旋轉自如並且螺合於前述螺桿軸(30)，並對應於前述螺桿軸(30)對於前述固定筒(20)的進退往復旋轉；將完全由前述第一連結部(10)與前述第二連結部(11)之間的距離的變動以及前述螺桿軸(30)的導程所決定之旋轉角賦予前述旋轉體，而使作用於前述第一構造體與前述第二構造體的振動能衰減，其特徵為：於前述螺桿軸(30)的軸端與前述第一連結部(10)之間，係設置有：轉矩限制構件(3)，係在對於前述螺桿軸(30)作用有超過預定值之旋轉轉矩時，容許前述螺桿軸(30)對於前述第一連結部(10)的旋轉而減低前述旋轉體(40、50、60)的旋轉角，前述轉矩限制構件(3)，係具備：連結軸(36)，係對於前述第一連結部(10)非旋轉 地作連接；傳遞軸(32)，係對於前述連結軸(36)旋轉自如地受到保持，並且對於前述螺桿軸(30)非旋轉地受到保持；旋轉軸承(33)，係在前述連結軸與前述傳遞軸之間傳遞軸方向負載，並且對於前述連結軸將前述傳遞軸(32)旋轉自如地作保持；以及摩擦構件(34)，係壓接於前述傳遞軸(32)，並卡止該傳遞軸(32)對於前述連結軸(36)的旋轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉慣性質量阻尼器，其中，前述旋轉軸承(33)，係具有自轉軸以90度的角度作交叉之2列的滾輪列，並且，構成各滾輪列的滾輪的自轉軸係對於前述傳遞軸(32)的軸方向以45°的角度傾斜。
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