專利名稱：諧振質(zhì)量減振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)受暫態(tài)力作用于結(jié)構(gòu)上引起振動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可用于減振結(jié)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置。
背景技術(shù)：
作用在結(jié)構(gòu)上的暫態(tài)力會(huì)引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，它包括能松動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，使居住者承受與這種振動(dòng)運(yùn)動(dòng)相連的不安和危險(xiǎn)，也對(duì)于設(shè)置在結(jié)構(gòu)內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生不良的影響。因此，已經(jīng)探尋了許多減振這些動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。
例如，日本專利申請(qǐng)62-328916和61-12569描述了有彈簧和從主塊懸掛一輔助質(zhì)量或重物的減振器的減振系統(tǒng)。日本專利申請(qǐng)62-328916描述了一通過彈簧和兩個(gè)減振器與地板相連的重物，以減振地板的振動(dòng)。日本專利申請(qǐng)61-12569描述了一諧振減振系統(tǒng)，系統(tǒng)中重物的質(zhì)量和彈簧構(gòu)件的彈簧常數(shù)是這樣挑選的它使系統(tǒng)的頻率與將要減振的地板或天花板構(gòu)件的自然頻率相諧振。這樣的諧振加強(qiáng)了系統(tǒng)的減振能力。
Kim和Yeo，在Journal of Vibration，Acoustics，Stress，and Reliability inDesign，Vol.108(1986年7月)pp.378-381，的“粘彈性材料在動(dòng)態(tài)減振器中的應(yīng)用”公開了一些使用彈簧或同摩擦器或流體減振器一起使用的減振彈簧，以在一主塊上懸掛一減振塊的某些減振系統(tǒng)。他們的論文描述了一種與減振塊一起使用的處于預(yù)應(yīng)變狀態(tài)下的粘彈性材料系統(tǒng)以代替彈簧的減振器減振系統(tǒng)。
Halverson和Hansen在Rubbercon’88中的“用于振動(dòng)和噪聲控制的諧振減振器中的橡膠材料”描述了一種在一質(zhì)量構(gòu)件和一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中使用橡膠材料作為彈簧和減振構(gòu)件的諧振減振系統(tǒng)。
粘彈性材料也使用于結(jié)構(gòu)的減振應(yīng)用之中。例如，Caldwell等人，Mahmoo-di，的美國專利No.3,605,953，在Journal of the Structural Division，Proceed-ings of the American Society of Civil Engineers，1661(1969年8月)上的“結(jié)構(gòu)減振器”，和Keel和Mahmoodi，在Buding Motion in Wind中的“用于哥倫比亞中心結(jié)構(gòu)的粘彈性減振器的設(shè)計(jì)”，在1986年4月8日于華盛頓州的西雅圖由航天和航空部的空氣動(dòng)力學(xué)委員會(huì)，美國土木工程師協(xié)會(huì)的建筑部的風(fēng)效委員會(huì)和ASCE共同主辦的會(huì)議的科研報(bào)告集中描述了在板間有粘彈性材料的幾層金屬板的減振器。減振器的粘彈性材料將結(jié)構(gòu)的部分振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，熱能隨之消散到周圍環(huán)境中。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明提供一包括通過彈簧和粘彈性材料懸掛在一結(jié)構(gòu)上的一質(zhì)量減振系統(tǒng)。減振系統(tǒng)的質(zhì)量，彈簧和粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件間互相作用以便作用力作用在結(jié)構(gòu)上并在其中產(chǎn)生一動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)減振與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的振動(dòng)。附圖簡介將參考


本發(fā)明，其中相同的標(biāo)號(hào)代表相應(yīng)的或類似的構(gòu)件，和圖1所示為安裝在呈第一振型的一簡支梁上的本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；圖2所示為安裝在呈第二振型的一簡支梁上的本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；圖3所示為安裝在呈第一振型的一懸臂梁上的本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；圖4所示為安裝在呈第二振型的一懸臂梁上的本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；圖5所示為安裝在呈第一振型的兩固定端梁上的本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；圖6所示為本發(fā)明的一第一裝置的橫剖面圖；圖7所示為本發(fā)明的一第二裝置的橫剖面圖；圖8所示為本發(fā)明的一第三裝置的橫剖面圖；圖9所示為本發(fā)明的一第四裝置的橫剖面圖；圖10所示為本發(fā)明的一第五裝置的橫剖面圖；圖11所示為本發(fā)明的一第六裝置的局部橫剖面圖；圖12所示為本發(fā)明的一第七裝置的橫剖面圖；圖13所示為本發(fā)明的一第八裝置的頂部橫剖面圖；圖14所示為本發(fā)明的一第九裝置的剖開的立體圖；圖15所示為本發(fā)明的一第十裝置的立體圖；圖16所示為本發(fā)明的一第十一裝置的局部橫剖面圖；圖17所示為一使用與圖15的裝置類似的裝置對(duì)結(jié)構(gòu)減振的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)的幅度—頻率特性曲線；圖18所示為本發(fā)明的一第十二裝置的剖開的立體圖；附圖的詳細(xì)說明翻到圖1和圖2，本發(fā)明的減振裝置20沿一簡支梁22設(shè)置。梁22在它的兩端由支架24和26支持。在圖1中，虛線28代表梁22的第一種振型。在圖2中虛線30代表梁22的第二振型。
在圖1中振動(dòng)包括在梁22端部上的節(jié)點(diǎn)32、33。在圖2中振動(dòng)包括在梁22的端部和中點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)34、35、36。為優(yōu)化減振，裝置20應(yīng)盡可能靠近波腹點(diǎn)37、38、39安裝。
圖3和圖4所示的本發(fā)明的減振裝置40安裝在一固定于一單支承44的懸臂梁42上。兩個(gè)典型的振型如虛線46、48所示。圖3顯示的振動(dòng)在梁42與支承44連接處有一節(jié)點(diǎn)50。圖4顯示的振動(dòng)包括在梁42上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)52、54。為了最大的減振，本發(fā)明的裝置40應(yīng)盡可能靠近波腹點(diǎn)55、56安裝。假如裝置40直接安裝在節(jié)點(diǎn)50、52、54處，裝置40的減振功能將最小。
在圖5中本發(fā)明的減振裝置60安裝在兩固定端的梁62上。這梁62的兩固定端由支持結(jié)構(gòu)64、65握持。振型由虛線68表示，且包括在梁62上的節(jié)點(diǎn)70、72。減振裝置60應(yīng)盡可能靠近波腹點(diǎn)74安裝，以達(dá)到最大的減振效果。
在圖6中于懸臂梁82上顯示了本發(fā)明裝置80的一詳細(xì)的橫截面。梁82安裝于支持結(jié)構(gòu)84，例如墻或類似物。裝置包括一安裝在梁82上的殼體88，它圍住一輔助質(zhì)量質(zhì)量或減振質(zhì)量90，一連接彈簧92，和一側(cè)向安裝的粘彈性構(gòu)件96、98它們是用于這個(gè)裝置80的粘彈性材料構(gòu)件。
殼體88一般由金屬、塑料、或其他適合的材料構(gòu)成，通過普通的固定技術(shù)技術(shù)如焊接、機(jī)械固定固定、粘合連接或類似的技術(shù)技術(shù)將它連接在梁82上。殼體88可以有一開口的底部，不過一完全封閉的外殼體是較好的，它防止外來物質(zhì)進(jìn)入殼體88對(duì)減振裝置操作的性能產(chǎn)生不利影響。
輔助質(zhì)量質(zhì)量90與彈簧92和粘彈性構(gòu)件96、98一起，通過將梁82中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能而減振。輔助質(zhì)量通常是一塊金屬，但是也可使用充滿流體的容器或一塊高密度材料例如混凝土。低密度的材料如鋁、木材或合成材料可被用于需較小輔助質(zhì)量質(zhì)量的場合。
彈簧92通過普通的連接技術(shù)如焊接、機(jī)械固定、粘合連接或類似的技術(shù)可與梁82和輔助質(zhì)量90相連接。雖然圖示為一根彈簧，但也可使用安裝在輔助質(zhì)量90的的側(cè)面、底面或頂面和殼體88的底面或側(cè)壁間的附加彈簧。其他類型的能提供足夠回復(fù)力的彈簧如板彈簧或片簧也能被使用。
粘彈性構(gòu)件96、98連接在輔助質(zhì)量90的側(cè)面和殼體88的側(cè)壁上。形成這些構(gòu)件的粘彈性材料將把與動(dòng)態(tài)響應(yīng)例如在梁82里的振動(dòng)和擺動(dòng)有關(guān)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能。圖6(以及在圖7至10中)顯示的粘彈性構(gòu)件的橫截面是長方形的。橫截面為圓的或平行四邊形的粘彈性構(gòu)件也能使用，適當(dāng)調(diào)節(jié)剪切橫截面積和厚度來提供理想的減振特性。最好是通過保持與剪切力相平行的粘彈性材料的尺寸與粘彈性材料的厚度的比例大于或等于5，使得剪切力在粘彈性材料是主要的。
最好的粘彈性材料是ScotchdampTMSJ2015X丙烯酸粘彈性聚合物，從明尼蘇達(dá)州圣保羅的3M可得到的型號(hào)為110、112和113，和3M工業(yè)記錄紙和特品部門的建議購買的說明書中描述的Scotchdamp(粘彈性聚合物，NO.70-072-0225-7(89.3)R1。其他適合的粘彈性材料包括但不限于賓夕法尼亞州伊利的Lord公司的Lord LD-400，和紐約州Deer Park的Soundcoat公司的Sound-coat DYAD 606、Soundcoat DYAD 609和Soundcoat N。
粘彈性材料是對(duì)溫度敏感的材料。特別是Chang等人在Earthpuake Spec-tra的Vol.9，No.3(1993)pp.371-387中的“為地震應(yīng)用的作為能量耗散裝置的粘彈性減振器”指出環(huán)境溫度的提高軟化粘彈性材料和降低了材料的減振效率。另外關(guān)于Scotchdamp(SJ2015X，型號(hào)110、112和113溫度敏感的信息在上面提到的建議購買說明書中有所說明。因此，當(dāng)構(gòu)造本發(fā)明的裝置時(shí)必須考慮粘彈性材料里的溫度變化。
粘彈性構(gòu)件96、98最好通過普通的固定技術(shù)如機(jī)械固定固定、粘合連接或類似的技術(shù)固定在殼體88和輔助質(zhì)量90上，兩粘彈性構(gòu)件96、98最好在輔助質(zhì)量90的每一側(cè)面上各一個(gè)，將輔助質(zhì)量90與殼體88相連，但附加的粘彈性構(gòu)件也可在殼體88和輔助質(zhì)量90間使用。
圖7中，圖解說明了在一簡支梁112上的本發(fā)明的裝置110，梁安裝在支持結(jié)構(gòu)114、116上。裝置110包括一安裝在梁112上的殼體118，它圍住一輔助質(zhì)量120。這輔助質(zhì)量120通過彈簧122、124以及側(cè)向藉助粘彈性構(gòu)件126、128垂直地懸掛在梁112上。用于這個(gè)裝置110的粘彈性構(gòu)件126、128是粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件。一桿130從輔助質(zhì)量120中延伸出來并且通過普通的固定技術(shù)如焊接、機(jī)械固定、粘合連接或類似的技術(shù)將殼體8的底面和梁112的底面連接起來，以約束輔助質(zhì)量120的垂直運(yùn)動(dòng)。另外桿130可僅連接梁112的底面或殼體118的底面。可使用附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件將輔助質(zhì)量120懸掛在梁112上。
圖8中圖解說明了在一簡支梁142上的本發(fā)明的裝置140。梁142安裝在支持結(jié)構(gòu)144、146上。裝置140包括一安裝在梁142上的殼體148，它圍住一通過板彈簧152、154，及具有粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件的粘彈性構(gòu)件156、158懸掛在殼體148內(nèi)的輔助質(zhì)量150。板彈簧152、154和粘彈性構(gòu)件156、158是在輔助質(zhì)量150的相對(duì)側(cè)面上的。一彈簧和一粘彈性構(gòu)件在輔助質(zhì)量的每一側(cè)面上是較佳的，附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件也可使用。
在圖9中，圖解說明了以一種結(jié)構(gòu)適合于減振的一簡支梁162的本發(fā)明的裝置160。在這樣的系統(tǒng)中一梁162通過支持件164、166連接于它的尾端部。裝置160有通過一彈簧172和一粘彈性構(gòu)件176懸掛在梁162上的一輔助質(zhì)量170。如上面所述彈簧172可固定于主結(jié)構(gòu)和輔助質(zhì)量170。雖然所示為一根彈簧和一個(gè)粘彈性構(gòu)件，但附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件也可使用。
粘彈性構(gòu)件176代表一交替的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它包括粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件178、180和剛性構(gòu)件182、184、186。這層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了粘彈性材料的剪切面積但并不顯著增加粘彈性構(gòu)件176的尺寸。
粘彈性構(gòu)件176的剛性構(gòu)件182、184、186是由金屬或塑料制成的，但其他材料包括木材或合成材料也均可使用。剛性構(gòu)件182、184、186必須有足夠的剛度使粘彈性材料吸收與動(dòng)態(tài)響應(yīng)相聯(lián)系的機(jī)械能，并將它轉(zhuǎn)換成熱能的能力達(dá)到最大。雖然其他合適的構(gòu)件也能使用，但剛性構(gòu)件最好是臂狀的構(gòu)件。可以設(shè)想在粘彈性構(gòu)件176，梁162和輔助質(zhì)量170間的連接可轉(zhuǎn)換成這樣，側(cè)向剛性構(gòu)件184、186連接到輔助質(zhì)量170上，中間的剛性構(gòu)件182連接到梁162上。
其他結(jié)構(gòu)(包括一個(gè)或多個(gè)部分的粘彈性材料)的粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件也可被使用。粘彈性構(gòu)件和剛性構(gòu)件另外的結(jié)構(gòu)也可使用，只要?jiǎng)傂詷?gòu)件連接在梁上和輔助質(zhì)量上，在另一種方式中，構(gòu)件通過一中間粘彈性構(gòu)件將它們相互分開。圖10圖解說明了安裝在兩端固定的垂直梁192上的的本發(fā)明的裝置190該梁安裝在支持結(jié)構(gòu)194、196上。裝置190包括一安裝在梁192上圍住一輔助質(zhì)量200的殼體198。這輔助質(zhì)量200是被支持在能使輔助質(zhì)量200作水平運(yùn)動(dòng)的滾子或其他構(gòu)造上的。輔助質(zhì)量200通過彈簧202和一粘彈性構(gòu)件206連接在梁192上。粘彈性構(gòu)件206有粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件208、210，它們通過一中心剛性構(gòu)件212和分別連接在梁192和輔助質(zhì)量200上的側(cè)向剛性構(gòu)件214、216分隔開。在這個(gè)裝置190中所使用粘彈性構(gòu)件206類似于在上面圖9中所描述的粘彈性構(gòu)件。雖然所示為一根彈簧和一個(gè)粘彈性構(gòu)件，但附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件也可使用。
圖11所示為一安裝在梁222上的減振裝置220。裝置220包括一通過一彈簧232和一粘彈性構(gòu)件236連接在梁222上的輔助塊230。
粘彈性構(gòu)件236包括一圓柱形粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件238，一端與梁222相連的內(nèi)圓柱形的一剛性構(gòu)件240，一端與輔助質(zhì)量230相連的一外圓柱形剛性構(gòu)件224。圓柱形粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件238與內(nèi)圓柱形剛性構(gòu)件240和外圓柱形構(gòu)件244粘接。圓柱形剛性構(gòu)件240、244最好用上述方法連接在梁222和輔助質(zhì)量230上。另外，通過上述的固定技術(shù)，內(nèi)圓柱形剛性構(gòu)件240能連接在輔助質(zhì)量230上，外圓柱形剛性構(gòu)件244能被連接在222梁上。雖然所示為一根彈簧和一個(gè)粘彈性構(gòu)件，但附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件也可使用。
現(xiàn)在翻到圖12，圖解說明了在簡支梁252上的本發(fā)明的裝置250，該梁的兩端安裝在支持件254、256上。裝置250有一通過一彈簧262和一粘彈性構(gòu)件266懸掛在梁252上的輔助質(zhì)量260。雖然所示為一根彈簧和一個(gè)粘彈性構(gòu)件，但附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件也可使用。
用于本系統(tǒng)的粘彈性構(gòu)件266包括一粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件268，它最好是粘接在板270、272之間。板270、272通過焊接、機(jī)械固定粘合連接或類似技術(shù)與桿274、276相連。桿274、276分別與梁252和輔助質(zhì)量260相連。板270、272與桿274、276一起構(gòu)成了粘彈性構(gòu)件的剛性構(gòu)件。粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件268在板270、272間的這種三明治似的結(jié)構(gòu)使粘彈性構(gòu)件268處于與剪切狀態(tài)相反的壓縮或拉緊狀態(tài)，剪切狀態(tài)是如圖6-11所示的粘彈性構(gòu)件的普通狀態(tài)。
圖13詳述了本發(fā)明的一兩維減振裝置300。裝置300減振沿箭頭302、303方向的平面的振動(dòng)。裝置300包括一安裝在主結(jié)構(gòu)(圖中未示)上的殼體306。殼體306圍住一輔助質(zhì)量308，它是通過彈簧310和粘彈性構(gòu)件312連接在殼體306上的。彈簧310與上面圖6-12所示的彈簧相似。彈簧310的彈簧常數(shù)可通過選擇彈簧或?qū)椈烧{(diào)至希望的特定頻率來調(diào)節(jié)。粘彈性構(gòu)件312的側(cè)向剛性構(gòu)件314、316構(gòu)成一U-型構(gòu)件317它由軸銷324連接于殼體306，粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件318、320由中心剛性構(gòu)件322分隔，它由軸銷325連接在輔助質(zhì)量308上。雖然一個(gè)軸銷是較好的，但多軸銷也是可用的。另外，U-型構(gòu)件317可通過軸銷連接在輔助質(zhì)量308上并且中心剛性構(gòu)件322可通過至少一個(gè)軸銷連接在殼體306上。在這個(gè)裝置300中使用的粘彈性構(gòu)件與上述圖9所示的相似。另外，彈簧310可通過類似于那些上述的用于粘彈性構(gòu)件312的軸銷連接在殼體306和/或輔助質(zhì)量308上。
圖14所示為本發(fā)明的另一兩維減振裝置330。裝置330減振沿箭頭332、333方向的平面的振動(dòng)，它包括一安裝在主結(jié)構(gòu)(圖中未示)上的殼體334。殼體334圍住一通過彈簧338連接在殼體334上的輔助質(zhì)量336。一粘彈性構(gòu)件340通過上述的連接方法連接在輔助質(zhì)量336(和主結(jié)構(gòu))上。
圖15詳述了本發(fā)明的一兩維減振裝置350。裝置350減振沿箭頭352、353方向的平面的振動(dòng)。裝置350包括一最好是平板形的輔助質(zhì)量356。滾珠軸承358與輔助質(zhì)量356的下表面360接觸。滾珠軸承358的運(yùn)動(dòng)一般受在主結(jié)構(gòu)和輔助質(zhì)量356中的槽或?qū)к壍南拗?。輔助質(zhì)量356的平面運(yùn)動(dòng)能通過配置兩個(gè)滾珠軸承導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，每個(gè)導(dǎo)軌僅允許朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且與另一個(gè)成直角。
一彈簧362和粘彈性構(gòu)件364安裝在輔助質(zhì)量356的下表面360上。雖然所示為一根彈簧362和一個(gè)粘彈性構(gòu)件364，但附加的彈簧或粘彈性構(gòu)件也可使用。
如圖所示，彈簧362是有彈性的合成橡膠材料，如損耗因子小于0.15的橡膠。硬度在50一70的氯丁(二烯)橡膠是一種合適的材料。另外，一桿可代替橡膠彈簧362，此桿在兩維空間有不受限制的恢復(fù)力。此桿通過普通的固定技術(shù)如機(jī)械固定、粘合連接或類似的技術(shù)連接在輔助質(zhì)量356(和主結(jié)構(gòu))上。粘彈性構(gòu)件364通過上述的連接方法連接在輔助質(zhì)量(和主結(jié)構(gòu))上。
圖16所示為一用于電纜382的兩維減振裝置380。另外，一棒或桿或類似物可用來代替電纜382。該裝置包括用銷釘386、387連接在電纜382上的T-型環(huán)狀構(gòu)件384、385。這種連接也可通過焊接、夾子或其他普通的固定技術(shù)完成。一輔助質(zhì)量388通過彈簧390、391和粘彈性構(gòu)件392、393插入T-型環(huán)狀構(gòu)件384、385之間而連接在它們上。當(dāng)所示為兩套彈簧390、391和粘彈性構(gòu)件392、393時(shí)，如果要求的話，附加的彈簧和粘彈性構(gòu)件可被插入輔助質(zhì)量388的任一側(cè)。
T-型環(huán)狀構(gòu)件384、385可以是單件或多件結(jié)構(gòu)，以便最初放置在電纜382上或當(dāng)改型時(shí)放置在電纜382上。輔助質(zhì)量388最好是H-型環(huán)狀構(gòu)件。同T-型環(huán)狀構(gòu)件384、385相似，輔助質(zhì)量388的H-開型環(huán)狀構(gòu)件也可以是單件或多件結(jié)構(gòu)，以便最初放置在電纜382上或當(dāng)改型時(shí)放置在電纜382上。
彈簧390、391是有彈性的合成橡膠材料制成的，如損耗因子小于0.15的橡膠。硬度在50-70的氯丁(二烯)橡膠是一種合適的材料。彈簧390、391通過普通的固定技術(shù)如機(jī)械固定、粘合連接或類似的技術(shù)連接在T-型環(huán)狀構(gòu)件384、385和輔助質(zhì)量388上。粘彈性構(gòu)件392、393通過上述的連接方法連接在T-型環(huán)狀構(gòu)件384、385和輔助質(zhì)量388上。
圖17是一使用如圖15中所示和說明的減振裝置的一減振裝置的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)特性曲線。線401和402分別圖示說明在X和Y方向未減振的特性曲線，而線403、404分別圖示說明在X和Y方向減振的特性曲線。
圖18詳述了本發(fā)明的一三維減振裝置420。裝置420減振沿箭頭422、423、424方向的振動(dòng)。裝置420包括一安裝在主結(jié)構(gòu)(圖中未示)上的殼體426。殼體426圍住一通過彈簧430和粘彈性構(gòu)件432連接在殼體426上的輔助質(zhì)量428。提供沿著對(duì)應(yīng)于箭頭423的軸線方向的減振的彈簧和粘彈性構(gòu)件在圖中未示，這是因?yàn)榇藞D是立方體的，但應(yīng)理解為是包括在這減振裝置420中的。彈簧430與上述圖6-圖12中所述的彈簧相似。粘彈性構(gòu)件432具有形成U-型構(gòu)件437的側(cè)向剛性構(gòu)件434、436構(gòu)件，U-型構(gòu)件由軸銷444連接到殼體426上，粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件438、440由中心剛性構(gòu)件442分隔，它由軸銷445連接在輔助質(zhì)量428上。雖然一個(gè)軸銷是較好的，但多軸銷也是可用的。另外，U-型構(gòu)件437可通過軸銷連接在輔助質(zhì)量428上，并且中心剛性構(gòu)件442可通過至少一個(gè)軸銷連接在殼體426上。在這個(gè)裝置420中使用的粘彈性構(gòu)件與上述圖9所示的相似。
上述所有的本發(fā)明的圖解說明都是諧振系統(tǒng)。在諧振系統(tǒng)里以接近主質(zhì)量的自然頻率的振動(dòng)來設(shè)計(jì)輔助質(zhì)量和彈簧的彈簧常數(shù)和粘彈性構(gòu)件。在一系列與諧振有關(guān)的方程式的基礎(chǔ)上可以確定用于構(gòu)造依據(jù)本發(fā)明的裝置的粘彈性材料的尺寸。
根據(jù)一求最佳諧振頻率(ωopt)和最佳減振比(ζopt)的方程式可實(shí)現(xiàn)諧振，以使主結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最小。最佳諧振頻率(ωopt)和最佳減振比(ζopt)均取決于由輔助質(zhì)量(m2)的質(zhì)量除以主結(jié)構(gòu)的有效的或換算質(zhì)量(m1)而得出的質(zhì)量比(μ)，或μ＝m2/m1(1)換算質(zhì)量(m1)由主結(jié)構(gòu)實(shí)際的質(zhì)量(M)乘以換算系數(shù)(Z)，如果有用于特定用途的殼體再加上殼體的質(zhì)量(Mh)而得出，或m1＝ZM+MH(2)根據(jù)McGraw-Hill Book公司(1976)出版的Harris和Crede編寫的，Shock和Vibration Handbook，，某些典型的換算系數(shù)(Z)是用于兩端固定的梁是0.375，對(duì)于簡支梁是0.5，對(duì)于一端有負(fù)載的懸臂梁是0.23，當(dāng)彈簧是被減振的主結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)于彈簧的是0.333。質(zhì)量比(μ)的范圍從0.001到1.000，但一般的范圍是從0.005到0.500。
最佳諧振頻率(ωopt)和減振比(ζopt)能通過已知的外部對(duì)結(jié)構(gòu)的激振而得出。它們與減振器性能的關(guān)系如下ωopt2=K′v+Ksm2----(3)]]>和ζopt=η2K′vKs+K′v]]>(4)式中kv是粘彈性材料的存儲(chǔ)剛度(彈簧常數(shù))；ks是彈簧的剛度(彈簧常數(shù))；m2已在上面定義了；和(是一溫度和頻率決定的參數(shù)以代表粘彈性材料的損耗因子，它是由生產(chǎn)廠商提供的。
當(dāng)一合成橡膠材料在本發(fā)明的諧振塊減振器中被用作彈簧構(gòu)件時(shí)，它也能起到減振的作用。這種作用可用下列方程代替上述方程式(4)而校正ζopt=η2K′vKS+K′v+ηs2KsKs+K′v---(4a.1)]]>式中ηs是彈性合成橡膠材料的損耗因子。
聯(lián)立解上述的方程組(3)和(4)或(3’)和(4a.1)可得到下列彈簧(ks)的彈簧剛度(彈簧常數(shù))和粘彈性材料(kv′)的存儲(chǔ)剛度(彈簧常數(shù))的方程式，如分別在方程組(5)和(6)或方程組(5a.1)和(6a.1)中說明的Ks=(1-2ζoptη)ωopt2m2----(5)]]>Ks=(η-2ζoptη-η0)ωopt2m2----(5a.1)]]>K′v=2ζoptηωopt2m2----(6)]]>K′v=(2ζopt-ηs)(η-ηs)ωopt2m2----(6a.1)]]>當(dāng)在主結(jié)構(gòu)中沒有夾緊并且最佳諧振頻率(ωopt)能如Den Hartog，Me-chanical Vivrations，McGraw Hill，New York，(4th ed.1956)所示確定時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一特殊的子集。ωopt=ω111+μ----(7)]]>式中(1是主結(jié)構(gòu)的自然頻率。
在相同的條件下最佳減振率(ζopt)可定義為ζopt=3μ8(1+μ)3----(8)]]>用這些表達(dá)式代入它們在上述方程組(5)和(6)中相應(yīng)的值，彈簧的彈簧常數(shù)(Ks)和粘彈性材料的彈簧常數(shù)(K′v)的表達(dá)式變成Ksω12m1μ(1+μ)2(1-1η3μ2(1+μ)3)----(9)]]>K′v=ω12m1μη3μ2(1+μ)7----(10)]]>式中ω1、 m1、μ和η已在上面定義過。
從上面方程(9)中得出(一根)彈簧或(幾根)彈簧的剛度(彈簧常數(shù))(Ks)，彈簧可從彈簧生產(chǎn)廠商處挑選。粘彈性材料的彈簧常數(shù)(K′v)可被表示為粘彈性材料的一個(gè)函數(shù)，例如，如下所述的在剪切狀態(tài)的粘彈性材料的橫截面積(A)和厚度(h)的函數(shù)K′v=G′Ah----(11)]]>其中G’是粘彈性材料的存儲(chǔ)剪切模量。
粘彈性構(gòu)件或橡膠彈簧構(gòu)件(圖15和16)可以具有承受彎曲的一厚度。特別是當(dāng)粘彈性材料或橡膠彈簧構(gòu)件的厚度與長度之比小于時(shí)彎曲可被忽略不用考慮。但是，當(dāng)厚度與長度之比大于時(shí)，彎曲必須被考慮，因?yàn)楸砻婕羟心Ａ?Gapp，見下文)可能與存儲(chǔ)剪切模量(G’)相差超過5％。彎曲作用影響粘彈性材料的剛度分量。可通過實(shí)驗(yàn)確定彎曲分量的影響，或確定如下列方程所示的存儲(chǔ)剪切模量(G’)有關(guān)的表面剪切系數(shù)(Gapp)來校正彎曲分量的影響Gapp=G′1+h23L2----(11a.1)]]>式中Gapp是表面剪切模量；G’是粘彈性材料(如上所述)的存儲(chǔ)剪切模量；h是粘彈性材料(如上所述)的厚度；L是粘彈性材料在受力方向的長度。
如果粘彈性材料是一圓柱體，方程式(11a.1)將改寫為如下的方程式以適應(yīng)圓柱體Gapp=G′1+h29r2----(11a.2)]]>式中r是圓柱體的半徑。
將上述的方程式(11)重新整理如下，來確定粘彈性材料在剪切狀態(tài)的橫截面積(A)A=K′vhG′----(12)]]>
當(dāng)彎曲校正是必要時(shí)，如上述方程式(11a.1)和(11a.2)所表示的那樣，Gapp代替上述方程式(11)中的G，重新整理為A=K′vhGapp----(12a)]]>另外，如果粘彈性材料處于壓縮或拉緊狀態(tài)(圖12)，粘彈性材料的橫截面積(A)是A=K′vlEKT----(13)]]>式中l(wèi)是粘彈性材料處于壓縮或拉緊狀態(tài)(圖12)的長度；KT是Nashof，A.D.，Jones，D.I.G.，和Hendersen，J.P.，VibrationDamping，Wiley Interscience Publications，John Wiey&Sons，New York，1985，pp.194-195所描述的形狀因子，公式如下KT=1+β(AA′)2]]>式中β是一無量綱的常數(shù)，對(duì)于一未充填的粘彈性材料等于2，對(duì)于一充填的粘彈性材料等于1.5；A是粘彈性材料的橫截面積；A’是粘彈性材料的非承載面積；和E是粘彈性材料處于壓縮或壓力狀態(tài)的存儲(chǔ)模量E＝3G′(14)與主結(jié)構(gòu)相關(guān)的輔助質(zhì)量(m2)的最大的位移(Ymax)可被確定，因?yàn)檎硰椥圆牧系募羟袘?yīng)變(γ)已由生產(chǎn)廠商提供，輔助質(zhì)量的位移(Ymax)與剪切應(yīng)變(γ)的關(guān)系如下γ=Ymaxh----(15)]]>方程式(15)可重新整理來確定厚度(h)h=Ymaxγ----(16)]]>在壓縮或拉緊狀態(tài)下長度(1)可相似的得到。
當(dāng)輔助質(zhì)量(m2)的最大位移(Ymax)不知時(shí)，通過解分別描述相對(duì)有效主質(zhì)量的輔助質(zhì)量運(yùn)動(dòng)(Y(t))和有效主質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)的聯(lián)立方程可求出輔助質(zhì)量(m2)的理論最大位移，其中X..(t)+2ζ1ω1X.(t)+ω12X(t)=P1(t)+2μζ2ω2Y.(t)+μω22Y(t)---(17)]]>Y..(t)+2ζ2ω2Y.(t)+ω22Y(t)=-X..(t)----(18)]]>式中
是主系統(tǒng)的加速度； 是輔助質(zhì)量的相對(duì)加速度； 是主系統(tǒng)的速度； 是輔助質(zhì)量的相對(duì)速度；ζ1是主系統(tǒng)的減振率；ζ2＝(opt是輔助質(zhì)量的阻尼比；和P1(t)＝F1(t)/m1和F1(t)是外部激振力。
必須使主質(zhì)量和輔助質(zhì)量之間相互的摩擦作用降至最小程度，特別是包含小的位移的應(yīng)用場合。例如如果，使用有如圖15所示的主結(jié)構(gòu)的一減振器在主質(zhì)量，軸承構(gòu)件和輔助質(zhì)量間相互作用的摩擦力必須最小以達(dá)到最佳的減振效果。如圖15中的裝置的摩擦分量的影響可用下列方程式代替上述方程式(18)來調(diào)整Y..(t)+2ζ2ω2Y.(t)+ω22Y(t)=-X..(t)-fdY.|Y.|--(18a.1)]]>式中fd是摩擦系數(shù)(由所使用的特殊軸承裝置的制造廠商提供)；和m2是輔助質(zhì)量的質(zhì)量(如以上定義)?？捎萌鏛.Meirovitch，Elements ofVibration Amalysis，McGraw-Hill，Inc.(1986)pp.447-497.所述的轉(zhuǎn)換矩陣方法同時(shí)求出方程式(17)和(18)的解?？捎萌鏡unge-Kotta公式的數(shù)值積分方法同時(shí)求出方程式(17)和(18)的解。使用馬薩諸塞州Natick，的The Math-Works公司的控制系統(tǒng)工具包軟件3.0b版，并根據(jù)軟件包中提供的用戶指南的說明，用上面提到的方法求方程式(17)和(18)的有效解將變得容易了。通過使用馬薩諸塞州Natick，的The Math Works公司的Matlab 4.2b版函數(shù)ODE23或ODE45，并根據(jù)軟件包中提供的用戶指南的說明使用上面提到的方法求方程式(17)和(18a.1)的有效解將變得容易了。在這兩種情況下，通過這個(gè)軟件包得到的解答輸出值繪制出作為時(shí)間的函數(shù)的輔助質(zhì)量的相對(duì)位移圖，以提供指示減振裝置的減振性能。輔助質(zhì)量相對(duì)于主結(jié)構(gòu)的最大位移可直接通過此圖得到，并代入方程式(16)中計(jì)算粘彈性材料厚度和的尺寸。
雖然上述的方程式是為在主結(jié)構(gòu)上的單個(gè)減振器而設(shè)計(jì)的，但它們也同樣適用于應(yīng)用多個(gè)減振器的系統(tǒng)。調(diào)整這些參數(shù)以適應(yīng)那些系統(tǒng)對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員是很清楚的。多維，多分量的減振應(yīng)用要求每個(gè)減振器在給定的方向上的作用必須分別計(jì)算。沿一定方向相加各個(gè)減振分量可求得總的減振量。調(diào)整這些參數(shù)以適應(yīng)這些系統(tǒng)對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員是很清楚的。
示例根據(jù)上述公開的用于一懸臂梁裝置的內(nèi)容構(gòu)成一諧振塊減振系統(tǒng)。懸臂梁由一30.50cm×12.70cm×0.16cm(12in.×5in.×0.0625in)的鋼板構(gòu)成并且用于減振系統(tǒng)的殼體連接在梁上。梁和殼體的質(zhì)量相加為546.2克(梁的質(zhì)量476.7克，殼體質(zhì)量69.5克)使用如上所述的對(duì)于懸臂梁的換算系數(shù)0.23并利用上述方程式(2)轉(zhuǎn)換成換算質(zhì)量179.1克。經(jīng)過選擇的輔助質(zhì)量為77.2克，這樣從上述方程式(1)中得到的質(zhì)量比(μ)為μ＝0.43從選用的懸臂梁材料，已知它的頻率(ω1)為12赫茲。減振器最佳的頻率是8.4赫茲。另外丙烯酸粘彈性聚合物材料，ScotchdampTM(SJ 2015X型112有一數(shù)值為2.46kg/cm2(35磅/平方英寸)的存儲(chǔ)剪切模量(G’)和一在24攝氏度時(shí)數(shù)值為0.9的損耗因子(η)。
然后將這些數(shù)值代入上述方程式(5)-(8)以確定彈簧的彈簧剛度(ks)和粘彈性材料的彈簧剛度(k′v)來求得一0.095kg/cm(0.53pound/inch)的彈簧的彈簧常數(shù)(ks)和一0.11kg/cm(0.59pound/inch)的粘彈性材料的彈簧常數(shù)(k′v)。
減振裝置的設(shè)計(jì)要求需要在輔助質(zhì)量(m2)的相對(duì)側(cè)面上有兩塊厚度(h)為0.51cm(0.2inch)的粘彈性帶以連接殼體的側(cè)壁。用上述的方程式(12)可計(jì)算出這兩塊粘彈性材料每塊的橫截面面積為0.011cm2(0.0017in2)?；谶@個(gè)計(jì)算和希望粘彈性材料的橫截面是正方形的這兩點(diǎn)，計(jì)算出在純剪切狀態(tài)時(shí)粘彈性材料的正方形的每一邊的最佳尺寸是0.10cm(0.13inches)。上述裝置的尺寸在粘彈性材料處于彎曲狀態(tài)和剪切狀態(tài)時(shí)降低了粘彈性材料的剛度。為補(bǔ)償這剛度的損失，粘彈性材料的橫截面面積可增加到每邊0.18cm×0.23cm。
如以上所決定的一彈簧常數(shù)(ks)為0.095kg/cm的彈簧同時(shí)連接于懸臂梁和輔助質(zhì)量。粘彈性材料的尺寸為0.18cm×0.23cm×0.51cm，它粘附于輔助質(zhì)量和殼體的側(cè)壁。殼體進(jìn)一步設(shè)計(jì)使輔助質(zhì)量能藉助一通過殼體的壁插入輔助質(zhì)量的銷釘固定在殼體內(nèi)。固定輔助質(zhì)量的位置使得減振系統(tǒng)不能工作并且當(dāng)移走銷釘時(shí)，可直觀地顯示減振系統(tǒng)的效果。泡沫體被附著于殼體的側(cè)面以減小在輔助質(zhì)量和殼體之間的側(cè)面沖擊。
用一銷釘安裝在適當(dāng)位置，梁向下位移1.0cm并且解除了梁的振動(dòng)。在它們大體上下沉前大約10秒的時(shí)間振動(dòng)逐漸減弱。
在相似的方式下，移去銷釘來釋放輔助質(zhì)量，梁向下位移1.0cm并且解除了在一減振系統(tǒng)中初始振動(dòng)。在這情況下，在小于0.5秒之后，下沉的振動(dòng)顯示了減振器的效率。
本發(fā)明的裝置通過調(diào)整彈簧，粘彈性材料的類型和數(shù)量以及輔助質(zhì)量或減振塊的重量可應(yīng)用于小型結(jié)構(gòu)中和大型結(jié)構(gòu)中。同樣的原理可應(yīng)用于需要無垂直或無水平取向的減振裝置。
當(dāng)說明本發(fā)明的裝置以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)時(shí)，前述的說明僅是舉例并不用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍通過如下的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一用于在主結(jié)構(gòu)中減振動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置包括一輔助質(zhì)量；一支持輔助質(zhì)量的支持裝置，能連接輔助質(zhì)量和主結(jié)構(gòu)，并使輔助質(zhì)量能相對(duì)于主結(jié)構(gòu)兩維運(yùn)動(dòng)；至少一根插在主結(jié)構(gòu)和輔助質(zhì)量間的彈簧；和至少一個(gè)插在主結(jié)構(gòu)和輔助質(zhì)量間的粘彈性構(gòu)件；當(dāng)在主結(jié)構(gòu)中開始動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，通過輔助質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)來減振動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，支持裝置包括滾動(dòng)軸承。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，粘彈性構(gòu)件包括至少一個(gè)粘彈性材料的構(gòu)件。
4.一用于在主結(jié)構(gòu)中減振動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置包括用于連接于主結(jié)構(gòu)的裝置；一輔助質(zhì)量；許多根插在連接裝置和輔助質(zhì)量間的彈簧；許多個(gè)插在連接裝置和輔助質(zhì)量間的粘彈性構(gòu)件；插在連接裝置和輔助質(zhì)量間的彈簧和粘彈性構(gòu)件使輔助質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)限于兩維。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于粘彈性構(gòu)件包括至少一個(gè)粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于粘彈性構(gòu)件另外包括至少一剛性構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于粘彈性材料構(gòu)件構(gòu)件中間有一中心剛性構(gòu)件和多個(gè)側(cè)向剛性構(gòu)件，這些構(gòu)件插在連接裝置和輔助質(zhì)量之間。
8.一用于在主結(jié)構(gòu)中減振動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置包括用于連接于主結(jié)構(gòu)的裝置；一輔助質(zhì)量；許多根插在連接裝置和輔助質(zhì)量之間的彈簧，插在連接裝置和輔助質(zhì)量間的這些彈簧使輔助質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)限于兩維；和至少一個(gè)插在連接裝置和輔助質(zhì)量間的粘彈性構(gòu)件。
全文摘要
一用于減振在主結(jié)構(gòu)(82)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置(80)，它包括一輔助質(zhì)量(90)和一根彈簧(92)和一粘彈性構(gòu)件(96，98)該彈簧(92)和粘彈性構(gòu)件(96，98)插入主結(jié)構(gòu)(82)和輔助質(zhì)量(90)之間。該裝置(80)可包括一用于輔助質(zhì)量(90)、彈簧(92)和粘彈性構(gòu)件(96，98)的殼體(88)，可將彈簧(92)，粘彈性構(gòu)件(96，98)或彈簧(92)和粘彈性構(gòu)件(96，98)一同插入輔助質(zhì)量(90)和殼體(88)之間。同時(shí)公開了一種在主結(jié)構(gòu)(82)中減振動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。
文檔編號(hào)F16F15/00GK1146234SQ95192605
公開日1997年3月26日 申請(qǐng)日期1995年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月18日
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