JP4339683B2 - コンパクト型振動相殺装置 - Google Patents

Description

本発明は振動相殺（キャンセレーション）の分野に関連し、とりわけ、構造部品における振動相殺のためのコンパクト型アセンブリに関連する。

長年に渡って、構造部品における振動を軽減させまた打ち消すための装置の設計が行われてきた。典型的振動軽減装置は機械的なシステム要素の種々の組み合わせを用い、システム内の当該構造において許容可能な振動レベルを達成すべくシステム全体の周波数反応特性を調整する。そのようなアイソレータ（分離器）が多用される分野としては航空機があり、ここでは振動相殺システムが機械的振動を打ち消すために用いられる。前記機械的振動とは、推進装置に関連するものであり、また、航空機におけるエンジン、トランスミッション、プロペラ、ローター、またはproprotorによって生じるものである。

アイソレーション装置の長さ、重量、及び全体としてのサイズの最小化は、航空機の振動相殺システムの設計において重要な問題である。この最小化は、ヘリコプターの設計及び製造においてとりわけ重要である。ヘリコプターは航空機の載貨重量に対してホバリングすることが要求されており、またヘリコプターは多くの場合、羽根が固定された航空機と比較してその有効荷重の点で制約が多い。

振動相殺分野における際立った改善方法に関しては、ヘルマンフラームの１９１１年４月１８日の米国特許番号989,958である「車体振動を減衰させるための装置」にて開示されており、ここに言及したことをもって本願の一部とする。この発明では「補助的ボディ」がメインボディ内部またはメインボディ上に配置され、装置を介して伝達される振動力を相殺し、また打ち消すような振動相殺装置について開示されている。この装置は、振動質量（mass）の加速度が、所望としない動きをキャンセルするために１８０度ずれた位相を取るという原理を用いるものである。

フラームは、バネ質量の慣性的特性が構造部品内の振動を減衰させるべくまたは打ち消すべくカウンターバランシング力を生成するため、補助的ボディの位相ずれ加速度（out-of-phase acceleration）を利用しうるとした。

フラームの装置では、補助的ボディが、取着される構造部品の振動に応じて活動化される。補助的ボディ及びフラームの装置において、接続されているバネは従来方式のバネ及び質量アセンブリを形成しており、固有周波数ｗ_ｎは、次式、

で示される。ここでｋは接続されたバネのランク（rate）であり、またｍは補助的ボディ質量を示している。

フラームの装置の動作は、補助的ボディが固有周波数ｗ_ｎで共鳴しうるという原理に基づくものである。装置の共鳴周波数ｗ_ｎで振動を与えることによってフラームの装置を活動化させると、補助的ボディに対し高振幅の励振（excitation）を与え得る。このような補助的ボディの高振幅励振は、フラーム装置に加えられた振動と位相とが１８０度ずれた接続バネ固定端部に対する一連のカウンタ−インパルスに作用する。このカウンタ−振動は、装置の共鳴周波数で加えられた振動を概ね打ち消すか、又は完全に打ち消す効果を有している。

フラームの装置は振動相殺に関する分野で際だった改善点を有していたが、振動を減衰若しくは打ち消すための能力を犠牲にすることなく、装置を小型化したいという要望が、当技術分野に存在している。

本発明は従来方式の装置における多くの欠点を克服するべく設計された改善型振動相殺（キャンセレーション）装置に関するものである。複数の実施例における振動相殺装置は従来方式のものと比較してサイズがより小さく、設計上より汎用的である。

本発明の第１の実施例は、質量中心と、動作主軸線と、質量中心を通過し前記動作軸線と直交する中央面とを有する補助質量（マス）を有する振動相殺装置である。この実施例は、前記動作軸線に概ね直交していて、前記中央面に向かう第１の方向に対向する、概ね平坦な表面の第１のセットを含む。また本実施例は、前記動作軸線に概ね直交していて、前記第１の方向と概ね対角をなす第２の方向に対向する概ね平坦な表面の第２のセットを含む。補助質量は、前記表面の第１のセットを介して前記マス上で動作するバネの第１のセット、及び前記表面の第１のセットを介して前記マス上で動作するバネの第２のセットによって吊り下げられている。

本発明の第２の実施例は、質量中心と、動作軸線と、質量中心を通過し前記動作軸線と直交する中央面とを含む質量を有する振動相殺装置である。補助質量は前記マスの中央面に向かう第１の方向に対向した表面の第１のセット上に設けられたマウント手段の第１のセットと、前記第１の方向とは概ね対角をなす第２の方向に対向する表面の第２のセット上に設けられたマウント手段の第２のセットとを有する。質量は、マウント手段の第１のセットを介して質量上にて動作するバネの第１のセットによって吊り下げられ、またマウント手段の第２のセットを介して前記質量上にて動作するバネの第２のセットによって吊り下げられている。

本発明の第３の実施例は、質量中心と、動作軸線と、前記質量中心を介して通過し前記動作軸線に垂直な第１の中央面とを有する補助質量を含む振動相殺装置に関するものである。加えて、補助質量は、前記質量中心を介して前記第１中央面と垂直であり、第１及び第２の側面を有する第２の中央面と、前記質量中心を介して前記第１及び第２の中央面と垂直で、第１及び第２の側面を有する第３中央面とを含む。

本発明の第３の実施例は、４本のバネのセットを用い補助質量を吊り下げる。ここで四隅で対角に配置されている各バネが協働し、対角に配置されたバネの組が残りの二つのバネと逆に協働している。

本発明の第４の実施例は、第１及び第２のバネポケットのセットを有するフレームを組み込んだ振動相殺装置に関するものである。第１のセットにおけるポケットは、前記動作軸線に平行なバネ軸線の第１のセットに沿ってバネの第１のセットを許容・保持するために形成・配置されている。第２のセットにおけるポケットはバネポケットの第１のセットとは対角をなして対向しており、前記動作軸線に平行なバネ軸線の第２のセットに沿ってバネの第２のセットを許容・保持するべく配置されている。

フレームは、バネポケットの第１のセット内部に配置されたバネの第１のセットと、バネポケットの第２のセット内部に配置されたバネの第２のセットとによって吊り下げられる。ポケットの相対的位置は、バネの第１のセット及び第２のセットが同時に動作しないように定められ、制限される。

本発明の様々な実施例の実行及び使用に関しては、以下にヘリコプターについて参照され開示されているが、本発明は、様々の特定状況で実施され得る多くの適用可能発明概念を提供することが明らかである。ここで記載されている特定実施例は、単に本発明の実施及び使用に関する特定方法を開示するのみであって、本発明の概念をそれに限定するものではない。

ここで開示されている本発明は、従来の装置における固有の欠点の多くを克服するべく設計された改良型振動相殺（キャンセレーション）装置を含む。この振動相殺装置は、多くの実施例において従来型と比較してサイズがより小型化されており、設計上の制約が少なく、より汎用的である。

ここに記載された本発明の様々な実施例は、オフセット型ばねを用いる振動相殺装置を利用するものである。従来の装置は、対向するばねであって共通軸を有するものを用いており、装置内部に補助質量（マス）を保持していた。従来、装置の安定性を提供する目的には整列されたばねが必要であるとされてきた。本発明は、従来の方法及び理論とは大きく異なる内容を開示するものである。

図１乃至４は振動キャンセレーション装置、即ちフラーム装置１０を示しており、ケース１２、蓋締め付け具１６のセットによって保持された蓋１４を有する。フラーム１０は４つの蓋締め付け具１６を組み込んでいるが、当業者には、要求に応じてより多い数、または少ない数の蓋締め付け具１６が用いられてもよいことは自明である。図１乃至４で示されているような実施例では、ケース１２及び蓋１４がウィンドウ１８を有しており、フラーム１０の内部へのアクセスが可能となっており、内側部分は吊下フレーム２０及びチューニング用質量２２を有し、それらはチューニング用質量締め付け具２４のセットによって吊り下げフレーム２０に対して固定されている。ウィンドウ１８を介してチューニング用質量２２に容易にアクセスできるおかげで、当業者は１つもしくは複数のチューニング用質量２２を適切に選択することで、吊下アセンブリの合計質量を容易に調整し、故にフラーム１０の固有周波数微調整が容易に実行可能であることがわかる。

図１乃至４において示された実施例では、吊下フレーム２０は、ケース１２及び蓋１４の内部で、２つの下側ばね３２と２つの上側ばね３４とによって吊り下げられている。本技術分野で既知である従来型の振動キャンセレーション装置とは対照的に、本願ではばね３２及び３４は、吊下フレーム２０、チューニング用質量２２、及びチューニング用質量締め付け具品２４を有する吊り下げアセンブリに対して直線関係というよりむしろ隣接関係をもって配置されている。従来は、複数の一般的構成のうち１つが、本発明に見られるようなオフセット関係というより、むしろ軸方向に整列された一対の上下ばねを用いていた。一般的には、そのような同軸関係をなす配列が完全に相殺された荷重を提供し、幾分の動的モーメント（dynamic moment）または吊下質量への角方向加速度伝達を回避するために必要であると考えられていた。

軸方向配列されたばねを用いる従来方式の設計に固有の欠点は、端部同士が軸方向に整列された２つのばねを用いることで、やむを得ず図１乃至４において示されている実施例の設計と比較して約２倍の高さ方向寸法となることである。この点に関して図１乃至４において示された実施例は、ばね３２及び３４が互いに隣接した関係をもって吊下質量に配置されている。対向するばねが吊下質量の各側面で縦方向に直線関係をもって配置され、吊下質量の各側面上に配置されると、装置は更に高さを増してしまう。

図１乃至４において示された実施例では、設計上対称的であることから、一対のオフセットばね３２及び３４によって吊下質量にかかる全ての動作が、残りのばね対によって付与される逆方向の対応動作によって、相互作用している。フラーム１０の長寸側に沿った長手方向軸を下へ向かう、例えば装置の一端で一対のばね３２及び３４によって提供される動作は、他端における一対のばね３２及び３４によって与えられる動きによって相殺され得り、ここではばね３２及び３４の特性が適切に計算されていると想定される。例えば、ここに記載されているのはばね３２及び３４の機械的特性が同等であるようなケースであるが、異なった特性のばねが組み込まれた設計が特定適用例で望ましい場合もある。

当業者であれば、フラーム１０の固有周波数 ｗ、若しくはピークキャンセレーション周波数は、ばね３２及び３４のばね定数ｋと、吊下フレーム２０、チューニング用質量２２、及びチューニング用質量の締め付け具２４を含めた全吊下質量との双方との関数であることがご理解いただけよう。フラーム１０の固有周波数ｗは、吊下ばねの剛性の増加、または吊下アセンブリ質量の減少のいずれかに応じて増加し得る。逆に固有周波数は、吊下ばねの剛性の減少、または吊下アセンブリ質量の増加のいずれかに応じて減少し得る。

図１乃至４を参照すると、フラーム１０自体の分解を伴うことなく、ウィンドウ１８を介したチューニング用質量２２へのアクセス、および着脱が可能であることに留意頂きたい。従って、ばねの剛性ｋがユニットの分解を伴うことなく容易に変化し得ないにも関わらず、質量（マス） ｍは容易に変化し得る。このことが、組み立て後におけるフラーム１０の固有周波数ｗの良好なチューニングを可能とするので、製造、その他要素に対する許容度が増す。図１乃至４において示されている実施例では、チューニング用質量２２は、ねじ型のチューニング用質量締め付け具２４のセットによって吊り下げフレーム２０に保持された、薄いプレートのセットである。故に、吊り下げアセンブリの質量調整はプレートを追加、除去することによって実行されても良く、より重いプレートをより軽いプレートに置き換え、若しくは所定の位置にすでに固定されているプレートより質量物質を取り除くことによって実行されてもよい。

多くの環境下では、特定周波数にフラーム１０をチューニングすることは、フラーム１０の最終的な組み立ての後に１回実行され得るが、その後、装置が使用不可となるまで調整されることはない。しかし、別の状況下では、乗り物に設置された後にフラーム１０を再チューニングすることが望ましいかもしれない。そのような状況とは、例えば乗り物に対する構造変化、エアロダイナミクス変化、または動力装置変化がバランスを変えてしまうような場合である。図１乃至４において示されている実施例における設計は、そのような環境下における固有周波数の容易な調整を可能とするものである。

図１乃至４の吊り下げフレーム２０の一実施例の設計が、図５乃至７において詳細に示されている。それらの図面において示されているように、吊り下げフレーム２０は上側チューニング用質量ポケット５０及び下側チューニング用質量ポケット５２を有しており、それらポケットはチューニング用質量締め付け用の孔５４のセットで接続されている。吊り下げ式のばねが、吊り下げフレーム２０の各端部にて、上側ばねポケット５６及び下側ばねポケット５８に収容されている。図５乃至７において示されている実施例は、ばねポケット５６及び５８の各中央にばね位置決め孔（bore）６０を有していることが示されており、それらがばね３２及び３４の端部を受容し、または位置決めするのに適切なボタン若しくはカップ構造を許容して、位置決めを行うべく設計されている。当業者であれば、本発明の概念及び精神より逸脱することなく、複数のその他形状を用いることが可能であることがお分かりいただけよう。

本発明の第２実施例が、図８に示されている。上述したフラーム１０のために示されたものと同様に、図８のフラーム８０は吊り下げフレーム８２を有しており、それは一対の上側ばね８４及び下側ばね８６によって吊り下げられている。全体としての動作（moving）アセンブリは蓋９０を有するケース８８の内部に封入されている。チューニング用質量９２は、一対のチューニング用質量締め付け具９４によって吊り下げフレーム８２に対して保持されている。

多くの点でフラーム１０に類似しているが、フラーム８０は構造上の独自性を有する。フラーム１０が、動作軸に沿って装置長さを最小化するのに望ましい適用例のための設計であって薄い形状ファクタ（factor）を生成するのに対して、フラーム８０は、立方体に近い所望の形状ファクタの適用例のために設計されている。従って、主要方向のデバイス全体長が比較的短い一方で、動作軸方向高さは比較的大きい。縦方向のばね８４と８６との間の領域におけるマスが減ることを調整するために、部分的にばね８４及び８６の端部にマスを追加することが必要とされている。

本発明は好適実施例に関連して記載されてはいるが、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示されるものであって、多くの変形、変更例が全て本発明の範囲内にあることが明らかである。故に、少なくとも全ての上記利点を達成する改良型トレーディングシステムが開示された。

本発明の実施例による振動相殺装置の等角図である。 図１において示された実施例の分解された等角図である。 内部の構成要素を明らかとするために蓋が取り除かれた状態の図１及び図２に示す実施例の平面図である。 図１乃至３において示された実施例の断面図である。 図１乃至４において示された装置の吊下フレームの上面図である。 図５の吊下フレームの側面断面図である。 図５の吊下フレームの端面図である。 本発明の実施例を組み込んだ振動相殺装置の第２実施例の等角図である。

Claims (16)

1. 振動相殺（キャンセレーション）装置であって、
   ケースと、
   ケースの上部に固定される蓋と、
   質量（マス）であって、
   質量中心と、
   動作軸線と、
   前記質量中心を通過し、前記動作軸線に垂直な中央面と、
   前記動作軸線に概ね直交し、前記中央面に対向する２つの概ね平坦な表面の第１のセットと、
   前記動作軸線に概ね直交し、前記中央面に対して前記表面の第1セットの反対側から前記中央面と対向する２つの概ね平坦な表面の第２のセットとを有する質量と、
   前記表面の第１のセットを介して前記質量に作用するように、それぞれ、一端を前記蓋の下面に固定され、他端を前記表面の第1セットのそれぞれの表面に固定される２つの圧縮バネの第１のセットと、
   前記表面の第２のセットを介して前記質量に作用するように、それぞれ、一端を前記ケースの底部の上面に固定され、他端を前記表面の第２セットのそれぞれの表面に固定される２つの圧縮バネの第２のセットとを有し、
   ここで前記質量が前記第１及び第２の圧縮バネのセットによって完全に吊り下げられており、
   前記圧縮バネのバネ軸線が互いにずれていることを特徴とする振動相殺装置。
2. 前記第１及び第２のバネセットが、コイルバネであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 更にチューニング用質量のセットを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 振動相殺装置であって、
   ケースと、
   ケースの上部に固定される蓋と、
   質量であって、
   質量中心と、
   動作軸線と、
   前記質量中心を通過し、前記動作軸線に垂直な中央面と、
   前記質量の前記中央面と対向する２つの概ね平坦な表面上にそれぞれ設けられた２つのマウント手段の第１のセットと、
   前記中央面に対して前記マウント手段の第1セットの反対側から前記中央面と対向する２つの概ね平坦な表面上にそれぞれ設けられた２つのマウント手段の第２のセットとを有する質量と、
   前記２つのマウント手段の第１のセットを介して前記質量に作用するように、それぞれ、一端を前記蓋の下面に固定され、他端を前記２つのマウント手段の第1セットのそれぞれのマウント手段に固定される２つのコイルバネの第１のセットと、
   前記２つのマウント手段の第２のセットを介して前記質量に作用するように、それぞれ、一端を前記ケースの底部の上面に固定され、他端を前記２つのマウント手段の第２セットのそれぞれのマウント手段に固定される２つのコイルバネの第２のセットとを含み、
   前記質量が、前記第１及び第２のコイルバネセットによって完全に吊り下げられており、
   前記コイルバネのバネ軸線が互いにずれていることを特徴とする振動相殺装置。
5. 前記第１及び第２のバネのセットが圧縮バネであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記第１及び第２のバネのセットが引っ張りコイルバネであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 更に、チューニング用質量のセットを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
8. 振動相殺装置であって、
   ケースと、
   ケースの上部に固定される蓋と、
   質量であって、
   質量中心と、
   動作軸線と、
   前記質量中心を通過し、前記動作軸線に垂直な第１の中央面と、
   前記質量中心を通過し、前記第１の中央面に垂直であり、第１及び第２の側面を有する第２の中央面と、
   前記質量中心を通過し、前記第１及び第２の中央面に垂直であり、第１及び第２側面を有する第３の中央面とを有する質量と、
   前記動作軸線に概ね平行な中央軸線を有し、前記第２の中央面の前記第１側面及び前記第３の中央面の前記第１側面に設けられ、一端が前記質量に固定されて他端が前記蓋に固定された第１のバネと、
   前記動作軸線に概ね平行な中央軸線を有し、前記第２の中央面の前記第１側面及び前記第３の中央面の前記第２側面に配置され、一端が前記質量に固定されて他端が前記ケースの底部に固定された第２のバネと、
   前記動作軸線に概ね平行な中央軸線を有し、前記第２の中央面の前記第２側面及び前記第３の中央面の前記第２側面に設けられ、一端が前記質量に固定されて他端が前記蓋に固定された第３のバネと、
   前記動作軸線に概ね平行な中央軸線を有し、前記第２の中央面の前記第２側面及び前記第３の中央面の前記第１側面に設けられ、一端が前記質量に固定されて他端が前記ケースの底部に固定された第４のバネとを有し、
   ここで前記第１及び第３のバネが共に伸縮し、
   前記第２及び第４のバネは、前記第１及び第３のバネとは逆向きに共に伸縮し、
   前記質量が前記第１、第２、第３、及び第４のバネによって完全に吊り下げされることを特徴とする振動キャンセレーション装置。
9. 更に、チューニング用質量のセットを有することを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. チューニング用質量が金属製のプレートを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記チューニング用質量が１つ若しくは複数のネジ型締め付け具によって保持されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記装置が、更に所望に応じてチューニング用質量を着脱するために設けられたウインドウを含むケースを有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
13. 前記バネがコイルバネであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
14. 前記バネが圧縮バネであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
15. 前記バネが引っ張りコイルバネであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
16. 振動相殺装置であって、
    ケースと、
    ケースの上部に固定される蓋と、
    フレームであって、
    動作軸線と、
    前記動作軸線に平行な２つのバネ軸線の第１のセットに沿って配置される２つのバネの第１のセットを許容しまた保持するべく形成され、また配置され、上部に開口部を有する２つのバネポケットの第１のセットと、
    前記動作軸線に平行な２つのバネ軸線の第２のセットに沿って配置される２つのバネの第２のセットを許容しまた保持するために形成され、また配置され、前記２つのバネポケットの第１のセットの前記開口部の反対側に開口部を有する２つのバネポケットの第２のセットとを有するフレームと、
    それぞれ、前記２つのバネポケットの第１のセット内部に配置され、一端を前記蓋の下面に固定され、他端を前記２つのバネポケットの第1セットのそれぞれのバネポケットに固定された２つのバネの第１のセットと、
    それぞれ、前記２つのバネポケットの第２のセット内部に配置され、一端を前記ケースの底部の上面に固定され、他端を前記２つのバネポケットの第２セットのそれぞれのバネポケットに固定された２つのバネの第２のセットとを有し、
    前記第１のセット及び第２のセットのバネ軸線が一致しないことを特徴とする振動相殺装置。

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