專利名稱：用于改進振動隔離的方法及設備的制作方法
技術領域：
本申請總體上涉及主動的振動控制。更具體地說，本申請涉及的方法和設備用于隔離在承受諧波的或振蕩的位移或力的結構或物體上的機械振動。本申請非常適用于航空器領域，尤其是直升機和其他旋翼航空器。
背景技術：
多年來，人們一直致力于設計用來隔離振動體的設備，以防止其將振動傳送到其他物體。這樣的設備在希望將振動或振蕩的設備的振動隔離起來的各種技術領域中都有用處，例如將發(fā)動機同結構中的其他部分隔離。典型的振動隔離和衰減裝置(“隔離器”)采用機械系統的元件(彈簧和物質)的各種組合來調整整個系統的頻率響應特性，以使系統中的重要結構的振動達到可接受的水平。在這些技術領域之中，隔離器有著大量應用的一個領域就是航空器，其中振動隔離系統被用于將機身或航空器的其他部分同機械振動隔離開來，例如與推進系統相關的諧波振動，它產生于航空器的發(fā)動機、變速器以及螺旋槳或旋
^r ο振動隔離器與現有技術中被誤指為是“隔離器”的阻尼裝置是可區(qū)別的。一個簡單的振動力方程給出如下F = mx + cx+ kx振動隔離器采用慣性力(m'x )來抵消彈性力(kx)。而另一方面，阻尼裝置是考慮利用耗散作用(CX )來消除振動系統的能量。在設計航空器的振動隔離系統時，一個重要的工程目標是最小化隔離裝置的長度、重量和包括橫截面在內的總體尺寸。這是所有和航空器相關的工程努力的首要目標。這在直升機和其他旋轉翼航空器(例如傾轉旋翼機)的設計和制造中尤為重要，這些航空器需要克服自重進行懸停，因此相比固定翼航空器，其在有效載荷方面有些受到限制。在振動隔離系統設計中的另一個重要的工程目標是節(jié)省工程資源，這種工程資源已在航空器的其他方面或者振動隔離系統的設計中被消耗了。換句話說，對振動隔離系統的性能做漸進式的改進是重要的工業(yè)目標，這種改進不要求對現有的振動隔離系統中已存在的所有組元進行徹底的再設計或者完全地重新設計。在振動隔離領域，尤其是在航空器和直升機的應用中，于1980年12月2日授予 Halwes等人，名為“振動抑制系統(Vibration Suppression System) ”的共同受讓美國專利第4236607號(Halwes，607)開啟了新的里程。Halwes，607通過引用結合于此。Halwes，607 披露一種隔振器，其中使用了高密度、低粘度的流體作為“調諧”物質來平衡或抵消通過隔離器傳輸的振蕩力。這種隔離器采用的原理是振蕩物質的加速度與其位移是180°異相的。在Halwes’ 607中，認為高密度、低粘度的流體的慣性特征與通過活塞配置產生的液壓優(yōu)勢結合，能夠利用異相的加速度來產生平衡力以衰減或抵消振動。Halwes'607提供的隔離器較之現有技術中所提供的更加緊湊、可靠和高效。HalweS’607設想的最初的高密度、低粘度流體是汞，但汞是有毒物質，并具有很強的腐蝕性。
自Halwes在先的發(fā)明以來，在這方面的努力已指向取代作為流體的汞或改變單個隔離器的動態(tài)響應以衰減不同振動模式。后者的一個例子可在于1995年8月8日授予 McKeown 等人，名為“液壓慣性振動隔離器(Hydraulic Inertial Vibration Isolator)” 的共同受讓美國專利第討39082號(McKeown，082)中找到。McKeown，082通過引用結合于此。有幾個因素影響Halwes型隔離器的性能和特征，包括采用的流體的密度和粘度、 隔離器的組元的相對尺寸，以及類似因素。于2000年1月4日授予Mamps等人，名為“用于改進隔離的方法和設備(Method and Apparatus for Improved Isolation) ”的共同受讓美國專利第6009983號6tampS，98;3)披露了對這種隔離器的設計的一種改進。在Mamps，983 中，在調諧通道的各端采用了復合半徑以顯著地改進隔離器的性能。Mamps’983通過引用結合于此。對Halwes型隔離器的設計進行改進的另一個方面指向改變隔離器的頻率的手段，用于增加隔離器在運行過程中的有效性。于1995年7月25日授予Smith等人，名為“振動隔離系統(Vibration Isolation System) ”的共同受讓美國專利第5435531號 (Smith’ 531)披露了對這種隔離器的設計的一種改進。在Smith’ 531中，在調諧通道的內壁使用了軸向伸縮套管以改變調整通道的長度，從而改變隔離頻率?？烧{諧的Halwes型隔離器的設計的另一個發(fā)展披露于1998年1月6日授予Smith等人，名為“振動隔離系統” 的共同受讓美國專利第5704596號(Smith，596)。在Smith，596中，套管用在調諧通道的內壁上以改變調諧通道自身的橫截面面積，從而改變在操作中的隔離頻率。Smith’ 531和 Smith’ 596都是主動地調諧隔離器的值得注意的嘗試。在振動隔離領域的另一個發(fā)展是在2004年2月M日授予Smith等人，名為 “用于改進振動隔離的方法禾口設備(Method and Apparatus for Improved Vibration Isolation)，，的共同受讓美國專利第6695106號中披露的可調諧振動隔離器，該專利通過引用結合于此。雖然上述發(fā)展代表了振動隔離領域的長足的進步，但許多不足之處依然存在。


確信是本申請的特征的新特點在所附的權利要求中提出。然而，本申請自身以及使用的優(yōu)選模式，及其進一步的目標和優(yōu)勢則通過參考以下詳細描述，并結合附圖一起閱讀可被最好地理解圖1是根據本申請的直升機的透視圖；圖2A是根據本申請的傾轉旋翼機在飛機模式下的平面圖；圖2B是根據本申請的傾轉旋翼機在直升機模式下的透視圖；圖3是根據本申請的四傾轉旋翼機在飛機模式下的透視圖；圖4A是現有技術中液體慣性振動消除器的剖視圖；圖4B是現有技術中液體慣性振動消除器的受力圖；圖4C是圖4A的現有技術中液體慣性振動消除器的振幅與頻率關系圖；圖5是根據本申請的優(yōu)選實施例的可開關的流體路徑的液體慣性振動消除器的剖視圖6是根據本申請的可開關的流體路徑的液體慣性振動消除器的替代實施例的剖視圖；以及圖7是根據本申請的可開關的流體路徑的液體慣性振動消除器的另一個替代實施例的剖視具體實施例方式參考圖1，在圖中示出了根據本申請的直升機11。直升機11具有機身13和主旋翼組件15，包括主旋翼槳葉17和主旋翼軸18。直升機11具有尾旋翼組件19，包括尾旋翼槳葉21和尾旋翼軸20。主旋翼槳葉17大致繞主旋翼軸18的豎直的軸線16轉動。尾旋翼槳葉21大致繞尾旋翼軸20的橫向的軸線22轉動。直升機11還包括根據本申請的振動隔離系統以將機身13或直升機11的其他部分同機械振動隔離，例如與推進系統相關的諧波振動，它產生于直升機11的發(fā)動機、變速器以及旋翼。本申請也可用于其他類型的旋轉翼航空器?，F在參考圖2A和2B。在圖中示出了根據本申請的傾轉旋翼機111。與常規(guī)的傾轉旋翼航空器相同，旋翼組件113a和11 由機翼11 和11 承載，并且各自被布置在機翼11 和11 的端部116a和116b。傾轉旋翼組件113a和11 包括發(fā)動機艙120a和120b，發(fā)動機艙120a和120b分別承載傾轉旋翼機 111的發(fā)動機和變速器以及傾轉旋翼組件113a和11 的前端121a和121b上的旋翼槳轂 119a 和 119b。傾轉旋翼組件113a和11 在直升機模式和飛機模式間相對機翼構件11 和 115b運動或旋轉，其中在直升機模式下，傾轉旋翼組件113a和11 向上傾轉，這樣傾轉旋翼機111就如同常規(guī)直升機一樣飛行，而在飛機模式下，傾轉旋翼組件113a和11 向前傾轉，這樣傾轉旋翼機111就如同常規(guī)的螺旋槳驅動的航空器一樣飛行。在圖2A中，傾轉旋翼機111在飛機模式下示出；在圖2B中，傾轉旋翼飛111在直升機模式下示出。如圖2A和 2B所示，機翼11 和11 聯接到機身114。傾轉旋翼機111還包括根據本申請的振動隔離系統以將機身114或傾轉旋翼機111的其他部分同機械振動隔離，例如與推進系統相關的諧波振動，它產生于傾轉旋翼機111的發(fā)動機、變速器以及旋翼?，F在參考圖3，在圖中示出了根據本申請的四傾轉旋翼機211。與圖2A和2B中的傾轉旋翼機111 一樣，旋翼組件213a、213b、213c和213d分別由前翼215a、215c和后翼 215b、215d承載。傾轉旋翼組件213a,213b,213c和213d包括發(fā)動機艙220a,220b,220c和 220d，發(fā)動機艙220a、220b、220c和220d分別承載四傾轉旋翼機211的發(fā)動機和變速器以及傾轉旋翼組件213a、213b、213c和213d的前端上的旋翼槳轂219a、219b、219c和219d。傾轉旋翼組件213a、213b、213c和213d在直升機模式和飛機模式間相對機翼構件 21fe、215b、215c和215d運動或旋轉，其中在直升機模式下，傾轉旋翼組件213a、213b、213c 和213d向上傾轉，這樣傾轉旋翼機211就如同常規(guī)直升機一樣飛行，而在飛機模式下，傾轉旋翼組件213a、213b、213c和213d向前傾轉，這樣傾轉旋翼機211就如同常規(guī)的螺旋槳驅動的航空器一樣飛行。在圖3中，四傾轉旋翼飛機111在飛機模式下示出。正如圖3所示， 機翼21 fe、215b、215c和215d聯接至機身214。傾轉旋翼機211還包括根據本申請的振動隔離系統以將機身214或四傾轉旋翼機211的其他部分同機械振動隔離，例如與推進系統相關的諧波振動，它產生于四傾轉旋翼機211的發(fā)動機、變速器以及旋翼。應該了解，本申請可在任何希望具有根據本申請的振動隔離的航空器上使用，包括遙控的無人駕駛飛行器?，F在參考圖4A，在圖中示出了用于航空器的現有技術的液體慣性振動消除器 (LIVE單元)327?，F有技術的LIVE單元327包括殼體343，殼體343具有中空的、大致為圓柱形的內腔。具有選定的橫截面直徑的活塞347被置于殼體343的內腔之中。殼體343 一般聯接至航空器的機身(未示出)，活塞347 —般通過在連接托架363處的掛架組件聯接至航空器的變速和推進系統(未示出)。在這種布置中，機身充當了要和振動隔離的物體， 而航空器的變速器充當了振動體。彈性的密封和彈簧構件349對殼體343內腔的活塞347 進行彈性密封。流體腔室361由殼體343的內腔和活塞347限定并且通過彈性體構件349對滲漏進行密封。相對的高密度、低粘度的振動隔離液體，也被稱為調諧液體，被置于流體腔室361 內。除了密封流體腔室361內的振動隔離液體之外，彈性體構件349還起到了彈簧的作用， 使活塞347可相對殼體343運動或振蕩，而當未受到負載的時候將活塞347保持在殼體343 的中間位置。調諧口或通道357居中地延伸穿過活塞347，使得振動隔離流體自流體腔室361的一端運動至另一端。在殼體343的各端提供了圓錐形偏流器351，圓錐形偏流器351與調諧通道357的各端開口對齊且大致相對。每個圓錐形偏流器351均通過使振動隔離流體在自流體腔室各端流入和流出通道357時減速來增強流體的流動?，F在參考圖4B，在圖中示出了圖4A中的現有技術的LIVE單元327的機械等效模型375。在機械等效模型375中，箱體377代表了機身的質量；箱體379代表了掛架組件的質量Miag ；以及箱體381代表了調諧物質的質量Mt，在此例中，調諧物質是振動隔離流體。振動力F · sin( t)是由發(fā)動機、變速器以及推進系統產生的。力F · sin( t)是變速和推進系統的振動頻率的函數。力F· Sin(Ot)引起了掛架組件的振蕩位移Up ；機身的振蕩位移Uf ；以及調諧物質的振蕩位移ut。彈性體構件349用置于機身的和掛架組件的Miag之間的彈簧382來表示。彈簧382具有彈簧常數K。在機械等效模型375中，調諧物質Mt如同自連接在掛架組件Ma架上第一支點383 和連接在機身上的第二支點385被懸挑一樣的起作用。自第一支點383到第二支點 385之間的距離a代表了調諧口 357的橫截面積，而自第一支點383到調諧物質Mt之間的距離b代表了活塞347的有效截面積，這樣，面積比率，或稱液壓比率，R就等于b和a的比率。機械等效模型可導出該系統的運動方程如下
權利要求
1.振動隔離器，包括限定了具有相對的端的流體腔室的殼體； 置于所述流體腔室內的流體； 被彈性地置于所述殼體內的活塞組件；由所述活塞組件限定的調諧通道，用于在所述流體腔室的所述端之間提供流體連通；以及與所述流體腔室流體連通的可開關的流體路徑組件，用于改變所述隔離頻率。
2.根據權利要求1所述的振動隔離器，其中可開關的流體路徑組件包括 在所述流體腔室的各端之間提供流體連通的流體路徑；以及用于選擇性地控制所述流體路徑內的流體流動的閥。
3.根據權利要求1所述的振動隔離器，其中所述的活塞被以至少一個彈性體構件彈性地聯接至所述殼體。
4.根據權利要求1所述的振動隔離器，進一步包括至少一個額外的可開關的流體路徑組件，用于提供至少一個額外的隔離頻率。
5.根據權利要求4所述的振動隔離器，其中各條可開關的流體路徑組件包括 在所述流體腔室的各端之間提供流體連通的流體路徑；以及用于選擇性地控制各條流體路徑內的流體流動的閥。
6.根據權利要求2所述的振動隔離器，其中所述可開關的流體路徑組件進一步包括 與所述閥可操作地相關聯的閥致動器，用于選擇性地調節(jié)所述流體路徑內的流體流動。
7.根據權利要求6所述的振動隔離器，其中所述的閥致動器是從一個組中選出的致動裝置，所述組的組成為電動致動器； 液壓致動器； 氣動致動器； 電磁致動器；以及形狀記憶合金。
8.根據權利要求1所述的振動隔離器，其中所述殼體被設置用于聯接至航空器的頂MTTC。
9.根據權利要求1所述的振動隔離器，其中所述活塞組件被設置用于聯接至航空器的掛架組件。
10.根據權利要求1所述的振動隔離器，其中所述流體具有低粘度和高密度。
11.振動隔離器，包括限定了具有相對的端的流體腔室的殼體； 置于所述隔離器內的流體； 被彈性地置于所述殼體內的活塞組件；由所述活塞組件限定的調諧通道，用于在所述流體腔室的所述端之間提供流體連通；以及與所述流體腔室流體連通的可開關的流體路徑組件，用于改變隔離頻率。；與上流體腔室和下流體腔室中的至少一個可操作地相關聯的至少一個調諧元件；以及聯接至各調諧元件的致動活塞，用于放大在相應的流體腔室內的所述流體的位移。
12.根據權利要求11所述的振動隔離器，其中所述可開關的流體路徑組件包括 在所述流體腔室的各端之間提供流體連通的流體路徑；以及用于選擇性地控制所述流體路徑內的流體流動的閥。
13.根據權利要求11所述的振動隔離器，其中各調諧元件通過電引線進行電聯接以控制用于控制致動活塞的所述致動作用的電路。
14.根據權利要求11所述的振動隔離器，其中所述的調諧流體具有低粘度和高密度。
15.根據權利要求11所述的振動隔離器，其中所述的調諧元件包括從一個組中選出的材料，所述組的組成為壓電陶瓷材料； 磁致伸縮材料； 電磁材料。
16.一種改變振動隔離器中的隔離頻率的方法，包括 提供限定了流體腔室的殼體；將活塞彈性地設置在所述的殼體內，所述活塞在所述流體腔室內形成了調諧通道； 可操作地關聯可開關的流體路徑組件，用于改變所述振動隔離器的所述隔離頻率；以及選擇性地致動在所述可開關的流體路徑組件中的閥，因此改變所述振動隔離器的所述隔離頻率。
17.根據權利要求16所述的方法，進一步包括可操作地關聯至少一個額外的可開關的流體路徑組件，用于提供至少一個額外的隔離頻率。
18.根據權利要求16所述的方法，進一步包括步驟提供至少一個與至少一個調諧腔室可操作地相關聯的調諧元件；以及選擇性地致動活塞，所述活塞聯接至各個調諧元件，用于放大所述流體腔室內流體的位移。
全文摘要
振動隔離器，包括限定了流體腔室的殼體、活塞組件、調諧通道、以及用于改變振動隔離器的隔離頻率的可開關的流體路徑組件。該活塞組件被彈性地置于殼體之內。振動調諧流體被允許在殼體內流動。在可開關流體路徑組件中閥的致動作用選擇性地控制在可開關流體路徑組件中的流體流動。
文檔編號F16F5/00GK102405359SQ200980158042
公開日2012年4月4日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權日2009年3月12日
發(fā)明者弗蘭克·B·斯坦普斯, 邁克爾·R·史密斯 申請人:貝爾直升機泰克斯特龍公司