ES2261691T3 - Dispositivo de amortiguacion de vibracion. - Google Patents

Dispositivo de amortiguacion de vibracion.

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ES2261691T3 ES02747510T ES02747510T ES2261691T3 ES 2261691 T3 ES2261691 T3 ES 2261691T3 ES 02747510 T ES02747510 T ES 02747510T ES 02747510 T ES02747510 T ES 02747510T ES 2261691 T3 ES2261691 T3 ES 2261691T3
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Abstract

Dispositivo de amortiguación de vibraciones que incluye un dispositivo de conversión de energía montado en una base destinada a fijarse a una estructura, incluyendo el dispositivo de conversión de energía una parte móvil que presenta por lo menos un muelle de centrado plano (31, 32) que se extiende entre un área interior (55, 65) con un primer diámetro (Di) y un área exterior (57, 67) con un segundo diámetro (De), presentando dicho muelle de centrado (31, 32) por lo menos dos recortes (50, 60) cada una de las cuales forma una rama con por lo menos un tramo (51, 61) con su concavidad vuelta hacia el exterior (67) del muelle (31, 32), caracterizado porque la parte móvil está suspendida por al menos un muelle del tipo muelle helicoidal (22, 221 a 224).

Description

Dispositivo de amortiguación de vibración.
La presente invención tiene por objeto un dispositivo de amortiguación de vibraciones.
Se utilizan en la industria batidores dinámicos para evitar la propagación de vibraciones en una estructura dada.
Se basan esencialmente en sistemas masa-muelle.
El documento DE-A-198 23716 presenta un dispositivo de amortiguación de vibraciones según el preámbulo de la reivindicación 1.
El empleo de batidores dinámicos plantea un problema de funcionamiento según una única dirección que es la del eje de simetría del sistema.
Por lo tanto, el problema planteado es el hecho de garantizar desplazamientos según dicho eje únicamente para evitar inconvenientes tales como vibraciones, parásitos, roces, incluso la destrucción de la bobina.
La invención pretende resolver dicho problema, siendo la idea básica el empleo de uno o varios muelles de centrado adecuados.
La invención se refiere a un dispositivo de amortiguación de vibraciones, como el definido en la reivindicación 1.
Por lo menos un corte puede ser, por lo menos en parte, en espiral, por ejemplo en espiral parabólica.
Por lo menos un corte puede presentar un tramo externo recto.
Cada corte equivale ventajosamente a entre 1 y 1,5 vuelta del perímetro del muelle.
Los cortes pueden ser 3 y preferiblemente 4 y, en este último caso, cada corte se extiende preferiblemente sensiblemente en una vuelta del perímetro del muelle.
Es especialmente ventajoso que un muelle de centrado esté constituido por un apilamiento de muelles planos, especialmente para formar una estructura laminada. En efecto, la rigidez axial y el esfuerzo máximo alcanzado disminuyen con el número de capas apiladas, lo que permite especialmente adaptar la relación entre la rigidez axial y la rigidez radial del muelle de centrado. Además, el esfuerzo máximo alcanzado disminuye con el grosor de cada
capa.
Otras características y ventajas de la invención aparecerán con mayor claridad con la lectura de la siguiente descripción, realizada a título de ejemplo no limitativo, con relación a los dibujos, en los cuales:
- la figura 1 muestra una vista esquemática en corte de un dispositivo según la invención;
- las figuras 2a y 2b representan respectivamente en perspectiva y en corte, un dispositivo según un modo de realización preferido de la invención, según el cual la parte móvil queda suspendida por cuatro muelles helicoidales 22_{1} a 22_{4}.
- La figura 3 muestra una realización de un muelle de centrado ("spider") de tres ramas, y
- La figura 4 muestra una realización de un muelle de centrado ("spider") de cuatro ramas.
El batidor representado en la figura 1 presenta una base 1 que incluye una placa plana 2 destinada a ser solidarizada a una estructura a calmar. Una bobina 20 es solidaria de dicha base 1. A tal efecto, una varilla 23 lleva en sus dos extremos dos bridas 3 y 24, una de las cuales 3 es solidaria de la base 1, y la otra 24 lleva la bobina 20. La parte móvil que incluye una pieza polar superior 11, una pieza polar inferior 12 y un imán 10, está montada en un muelle 22 y está centrada mediante dos muelles de centrado superior 31 y superior 32 montados en una caja o cubeta 40.
Se observa a nivel de la bobina 20 la estanqueidad proporcionada por el tejido ondulado 26 que lleva el anillo plano 26 montado en la pieza polar 11.
El conjunto define un motor electrodinámico cuya bobina está fija con relación a la base 1 y cuya parte móvil es una masa M_{b} constituida esencialmente por el circuito magnético, es decir las piezas polares 11 y 12 y el imán 10.
Un circuito de mando permite variar el valor de una carga resistiva aplicada a los bornes de la bobina 20. Puede tratarse de una resistencia variable, por ejemplo una varistancia, cuyo valor está en función de una tensión eléctrica, o también de un reostato comandado por el dispositivo de mando. De este modo, se puede variar la amortiguación entre dos extremos, es decir una amortiguación muy débil dejando la bobina 20 en circuito abierto, o una amortiguación máxima colocando la bobina 20 en cortocircuito, siendo entonces la resistencia de carga igual a la componente resistiva intrínseca Ro de la bobina 20.
Se puede elegir un valor de una resistencia de carga más elevada R_{1} para una primera amortiguación relativamente débil, y más débil R_{2} para una amortiguación más importante.
Una amortiguación relativamente débil o mínima conviene especialmente a una aeronave en vuelo estático, para la cual las vibraciones tienen un régimen establecido para el que se confiere al batidor un efecto máximo, mientras que una amortiguación más importante puede elegirse en caso de cambio de rumbo, para evitar las transitorias susceptibles de desestabilizar el batidor y/o elevar el nivel de vibración en la cabina.
Cuando funciona el batidor, existe un movimiento relativo entre el circuito magnético de masa M_{b} y la base 1. La bobina 20 se comporta por lo tanto como un generador de fuerza electromotriz E_{b} = BL v, designando BL el factor de fuerza del motor electrodinámico (en N/A) y v la velocidad relativa entre el circuito magnético de masa M_{b} y la base 1.
Se conecta la bobina 20 de impedancia eléctrica Z_{b} a una carga con referencia Z_{c}. Una fuerza F_{a} se establece entre la bobina y el circuito de masa M_{b}, que se opone a v (según la ley de Lenz) y tiene como expresión:
(1)F_{a} = (BL)^{2} /Z_{b} + Z_{c} V
Acabamos de poner en evidencia la expresión de una fuerza de amortiguación.
Si se supone que la carga está constituida por un reostato (resistencia ajustable), se puede variar entonces el coeficiente de amortiguación C_{b} (C_{b} = F_{a} / v) entre dos valores extremos.
Para obtener C_{b} máximo:
-
se debe elegir un motor electrodinámico cuyas características permitan maximizar la relación (BL)^{2}/Z_{b}
-
Z_{c} debe ser mínimo (Z_{c} = 0, es decir un cortocircuito franco).
Para obtener C_{b} mínimo:
-
basta con abrir el circuito eléctrico (Z_{c} = \infty)
La sintonía de frecuencia del batidor se da mediante la masa móvil y el conjunto de rigideces que unen dicha masa a la base:
1.
Rigidez total de los muelles de centrado 31 y 32: Ks
2.
Rigidez total del (de los) muelle(s) de retroceso 22: Kr
Por lo que se obtiene la relación:
(2)M_{b} \ ^{*}(2^{*}\pi^{*}F_{b})2 = Ks + Kr
Para repartir la rigidez entre los muelles de retroceso y los muelles de centrado 31 y 32, se consideran los siguientes esfuerzos:
1.
Los muelles de centrado 31 y 32 no son solicitados cuando la masa M_{b} está sometida a una vez la gravedad.
2.
La suma Ks + Kr se fija para respetar la relación (2).
El esfuerzo nº 1 obliga a que el peso estático de la masa móvil M_{b} sea recuperado por el(los) muelle(s) 22. Por lo tanto, su longitud en vacío se calcula para tener en cuenta dicha flexión estática, que se añade al movimiento dinámico: cuanto menor es la rigidez Kr, mayor debe ser la longitud en vacío. Por lo tanto, se debe elegir Kr suficientemente elevado para que no se planteen ciertas dificultades de integración (volumen, talonamiento de los muelles, espiras unidas).
En la práctica no es posible que Ks tienda hacia un valor arbitrariamente bajo, por lo motivos expuestos a continuación.
El batidor descrito funciona en una única dirección, que es la del eje de simetría del sistema (eje vertical Z en la figura 1, que pasa por el centro de la pieza).
\newpage
Conviene garantizar un movimiento relativo entre el circuito magnético de masa M_{b} y la base 1 según dicho eje, únicamente con el fin de evitar cualquier riesgo de destrucción mecánica de la bobina 20.
Por lo tanto, se excluyen a priori:
-
los desplazamientos radiales (según las direcciones X e Y perpendiculares a la dirección Z)
-
las rotaciones según los ejes X e Y
Para asegurar esta función, la masa M_{b} está guiada por dos muelles 31 y 32 dispuestos a cada lado del circuito de masa M_{b}. Son solidarios en su centro de un eje 23 solidario de la base 1 y en su contorno del circuito de masa M_{b}.
Entre las demás técnicas de guiado que se habrían podido elegir, se indican:
1.
Casquillos de bolas: solución más onerosa, que requiere un eje rectificado. Además, las características de roce seco son no lineales y evolucionan con el tiempo (desgaste de las zonas de contacto), lo que tendría como consecuencia modificar el comportamiento del batidor en el transcurso de su ciclo de vida. Además, sería necesario adjuntarle un sistema de bloqueo en rotación de la masa M_{b} según el eje Z.
2.
Cojinetes polímeros: solución que requiere asimismo un eje rectificado. Además, las características de roce seco son no lineales y evolucionan con el tiempo (desgaste de las zonas de contacto), lo que tendría como consecuencia modificar el comportamiento del batidor en el transcurso de su ciclo de vida. Además, sería necesario adjuntarle un sistema de bloqueo en rotación de la masa M_{b} según el eje Z.
La figura 3 representa un muelle de centrado 31, 32 de metal, que presenta cuatro recortes 50 (o rozas atravesantes) que forman otras tantas ramas que están repartidas regularmente a 90º del perímetro de una abertura 55 y que se extienden desde un extremo interno 53 a proximidad de la abertura central 55 de diámetro D_{i} y, hasta un extremo externo 54 a proximidad de un contorno externo 57 de diámetro De. Dichos recortes 50 tienen un perfil redondeado convexo hacia el interior del muelle, especialmente en forma de espiral, y preferiblemente de espiral parabólica.
Hacia su extremo 54, los recortes 50 presentan preferiblemente un tramo lineal 52 cuya función es evitar concentraciones de esfuerzos, como se explicará a continuación. En el ejemplo representado, las ramas 50 forman un poco más de una vuelta del perímetro del muelle entre sus extremos 53 y 54.
La figura 4 representa un modo de realización de 3 ramas cuyos extremos internos 63 están repartidos a 90º por el contorno de una abertura central de diámetro Di y que evolucionan hasta un extremo 64 a proximidad del contorno externo 67 de diámetro De. Como en el caso anterior, el perfil es ventajosamente en espiral, preferiblemente parabólico. Se extiende sobre un poco más de una vuelta del muelle. Está previsto ventajosamente un tramo de extremo lineal 62 para evitar concentraciones de esfuerzos.
Los extremos 53, 54, 63, 64 están suficientemente separados de las aberturas 55, 65 y de los contornos respectivos 57, 67 para permitir un buen engaste del muelle sin concentración de esfuerzos en dichos extremos.
Es especialmente ventajoso realizar los muelles 31, 32 en forma de una apilamiento de muelles, por ejemplo en forma de una estructura laminada, es decir de un apilamiento de muelles individuales solidarizados entre ellos, por ejemplo mediante adhesivo. Esto permite modificar la rigidez axial, que disminuye con el número de capas, así como el esfuerzo máximo alcanzado.
Esto permite especialmente ajustar la relación entre la rigidez axial y la rigidez radial.
Las ventajas de los muelles de centrado 31 y 32 son las siguientes:
1.
Ningún contacto entre piezas móviles: no se introduce no linealidad alguna, ni roces parásitos.
2.
Realización sencilla.
La realización de los muelles de centrado 31 y 32 respeta ventajosamente cierto número de obligaciones:
1.
Rigidez axial (según el eje Z): debe ser inferior a un valor máximo Kz = M_{b}^{*}(2^{*}\pi^{*}F_{b})^{2}.
2.
Rigidez radial (en el plano X, Y), según cualquier dirección radial: debe ser suficientemente grande para evitar que las solicitaciones radiales aplicadas al batidor conduzcan a desplazamientos radiales relativos entre la bobina y el circuito magnético mediante pandeo de los muelles, tales que podrían conducir al daño de dicha bobina. Esta característica debe mantenerse asimismo cualquiera que sea la posición de la masa móvil según el eje Z. Por lo tanto, se deben eliminar los diseños de muelles que son susceptibles de pandeo en las excursiones máximas de la masa móvil. La adopción de muelles de centrado que presentan recortes que forman ramas cóncavas hacia el interior permite evitar el pandeo.
3.
Relación volumen (radial)/desplazamiento del muelle tan pequeño como sea posible.
4.
Esfuerzos máximos en la materia tal que la pieza esté dimensionada para un número de ciclos muy importante (> 10^{8} ciclos). El estado de esfuerzo máximo se alcanza para los desplazamientos punta.
El modo de realización preferido emplea recortes en espiral parabólica (o según uno o varios ejes de círculo aproximando un perfil en espiral parabólica).
Los parámetros de diseño son:
1.
El número de ramas (por lo menos 2, preferiblemente 4).
2.
Diámetro interior D_{i} y exterior De.
3.
Grosor del muelle.
4.
Ángulo de inicio \theta del recorte (lado diámetro interior)-(véase cuadro figura 4). Cuanto más se aproxima el valor de \theta a 90º, más la variación de esfuerzo es progresiva. Cuando \theta está próximo a 0º, o a una variación brusca del esfuerzo en la zona del engarce.
5.
Detención del recorte (lado diámetro exterior): la detención se efectúa progresivamente en una sección de materia 56, 66 que se envasa de manera prácticamente triangular, con objeto de evitar las concentraciones locales de esfuerzos en los pequeños radios de curvatura. A tal efecto, se puede adoptar para las ramas un perfil terminal lineal 52, 62.

Claims (9)

1. Dispositivo de amortiguación de vibraciones que incluye un dispositivo de conversión de energía montado en una base destinada a fijarse a una estructura, incluyendo el dispositivo de conversión de energía una parte móvil que presenta por lo menos un muelle de centrado plano (31, 32) que se extiende entre un área interior (55, 65) con un primer diámetro (D_{i}) y un área exterior (57, 67) con un segundo diámetro (De), presentando dicho muelle de centrado (31, 32) por lo menos dos recortes (50, 60) cada una de las cuales forma una rama con por lo menos un tramo (51, 61) con su concavidad vuelta hacia el exterior (67) del muelle (31, 32), caracterizado porque la parte móvil está suspendida por al menos un muelle del tipo muelle helicoidal (22, 22_{1} a 22_{4}).
2. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos un recorte (50, 60) es, por lo menos en parte, en espiral.
3. Dispositivo, según la reivindicación 2, caracterizado porque por lo menos un tramo (51, 61) es un tramo de espiral parabólica.
4. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque por lo menos un recorte (50, 60) presenta un tramo exterior (52, 62).
5. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque cada recorte mide entre 1 y 1,5 vueltas del perímetro del muelle de centrado (31, 32).
6. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el muelle de centrado (31, 32) incluye 3 recortes (50, 60).
7. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el muelle de centrado (31, 32) incluye 4 recortes (50, 60).
8. Dispositivo, según la reivindicación 7, caracterizado porque cada recorte (50, 60) se extiende sobre sensiblemente una vuelta del perímetro del muelle de centrado (31, 32).
9. Dispositivo, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el muelle de centrado (31, 32) está constituido por un apilamiento de muelles planos individuales.
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