专利名称：用于改善振动隔离的装置及方法
技术领域：
本发明总的来说涉及主动的振动控制。更具体地，本发明涉及一种在结构或本体中，隔离谐波或振荡移动或外力所影响的的机械振动的装置及方法。本发明也适用于例如直升机或其他旋翼式飞机的飞行器领域。
背景技术：
很多年来，人们一直致力于设计一种用于隔离振动本体防止将其自身振动传递给另外本体的装置。这种装置在多种技术领域中使用，在这些技术领域中，所述装置理想地将例如发动机的振荡或振动装置的振动从该结构的剩余部分中隔离。通常振动隔离和衰减装置(隔离器)能够使用多种机械系统元件(弹簧和块)的组合，以调节整个系统的频率响应特性，从而获取系统中有关结构的可接受的振动程度。这些隔离器获得广泛使用的一个领域为飞行器领域，其中通过利用振动隔离系统以使飞行器的机身或其他部分从例如谐波振动的机械振动中隔离，所述机械振动与推进系统有关，是由飞行器的发动机、变速器和推进器或旋翼引起的。振动隔离器与在先技术中被误认为是“隔离器”的阻尼装置是有区别的。简单的振动力的方程如下所述F = mii + dt + kx振动隔离器利用惯性力(》 幻抵消弹性力(kx)。另一方面，阻尼装置利用损耗效应从振动系统中移除能量。飞行器振动隔离系统的设计中的一个重要的工程目的是减小隔离装置的长度、重量和包括横截面在内的整体尺寸。这是关于飞行器的所有工程效果中的一个主要目的。直升机和例如倾转旋翼飞机的其他旋翼式飞机的设计和制造是尤其重要的，其需要盘旋以抵抗飞行器的静负载，因此与固定翼机相比而言其有效负载稍微受限制。振动隔离系统的设计中另一个重要的工程目的在于，消耗在飞行器的其他方面的设计或振动隔离系统中的工程资源的守恒。换句话说，振动隔离系统的执行中的增值改善是一个重要的工业目的，所述振动隔离系统不需要彻底的再设计或呈现在现行的振动隔离系统中的所有零部件的完全再设计。在振动隔离领域中，尤其是应用于飞行器和直升机的显著方案，在美国专利号为 U. S. Pat. No. 4，236，607，名称为“振动抑制系统”，于1980年12月2日共同授权给Halwes 等人的专利(Halwes' 607)中揭露。在这里并入Halwes ‘ 607以供参考。Halwes' 607揭露了振动隔离器，其中一种浓稠和低黏度的流体作为“调谐”块以平衡或抵消传输通过隔离器的振荡力。这种隔离器拥有这样的原理，即振荡块在移动中的加速度有180°的相位差。在Halwes' 607中，其认为结合有由活塞装置产生的液压优势的浓稠和低黏度的流体的惯性特征，能够控制有相位差的加速度而产生平衡力，以减弱或抵消振动。 Halwes' 607提供的隔离器比在先技术中的隔离器更加紧凑、可靠和有效率。Halwes ‘ 607 中涉及的原始的浓稠和低黏度的流体为有毒性和高腐蚀性的汞。
自Halwes'的早期发明以来，本领域的很多努力都致力于替换作为流体的汞， 或改变单独的隔离器的动态响应以减弱不同振动模式。后者的例子可在美国专利号为 U. S. Pat. No. 5，439，082，名称为“液压惯性振动隔离器”，于1995年8月8日授权给McKeown 等人的专利(McKeown' 082)中找到。在这里并入McKeown' 082以供参考。影响Halwes类型的隔离器的执行和特征的一些因素，包括所使用的流体的浓度和黏度、隔离器的零部件的相对尺寸以及其他类似物。这种隔离器的设计的改善方案在美国专利号为U. S. Patent No. 6，009, 983，名称为“改善隔离的装置及方法”，于2000年1 月4日共同授权给Mamps等人的专利Gtamps' 983)中揭露。在Mamps ‘ 983中，在调谐通道的每一端处使用复合弧度式指板以提供隔离器的执行的显著改善。在这里并入 Stamps' 983以供参考。Halwes类型的隔离器的设计中的另一个改善方面致力于改变隔离器的频率的装置，以此增加隔离器运行中的效率。这种隔离器的设计的改善方案在美国专利号为 U. S. Patent No. 5，435，531，名称为“振动隔离系统”，于1995年7月25日共同授权给Smith 等人的专利(Smith' 531)中揭露。在Smith' 531中，轴向延伸的套筒设置在调谐通道的内壁上，用以改变调谐通道的长度，从而改变隔离频率。可调谐的Halwes类型的隔离器的设计中的另一种改善方案在美国专利号为U. S. Patent No. 5，704，596，名称为“振动隔离系统”，于1998年1月6日共同授权给Smith等人的专利(Smith' 596)中揭露。在Smith' 596 中，设置在调谐通道的内壁中的套筒，用以改变调谐通道自身的横截面面积，从而改变运行中的隔离频率。Smith' 531和Smith' 596都显著地尝试主动地调整隔离器的频率。在振动隔离领域，另一种为可调谐振动隔离器的方案在美国专利号为U. S. Pat. No. 6，695，106，名称为“改善振动隔离的装置及方法”，于2004年2月M日授权给Smith等人的专利中揭露，在这里并入以供参考。虽然前面的方案在振动隔离领域呈现出很大进步，但仍存在缺陷。
本申请的新颖性特征在随附的权利要求中阐述。然而，本申请本身，以及本申请优选的使用模式和另外的目的和优势，将通过参阅下述的详细说明连同随附的附图更加清晰地理解，其中图1为根据本申请的直升机的透视图；图2A为根据本申请的处于飞机模式的倾转旋翼飞机的俯视图；图2B为根据本申请的处于直升机模式的倾转旋翼飞机的透视图；图3为根据本申请的处于飞机模式的四组倾转旋翼飞机的透视图；图4A为在先技术的流体惯性振动消除器的横截面图；图4B为图4A的在先技术的流体惯性振动消除器的受力图；图4C为图4A的在先技术的流体惯性振动消除器的振幅随频率的变化曲线图；图5A为根据本申请的优选实施方式的可计量的流体惯性振动消除器的横截面图；图5B为图5A中的可计量的流体惯性振动消除器沿V-V线的横截面图；图6为本申请的可计量的流体惯性振动消除器的可选实施方式的横截面图；以及
图7为根据本申请的可计量的流体惯性振动消除器的另一可选实施方式的横截面图。
具体实施例方式参阅附图中的图1，显示了根据本发明的直升机11。直升机11具有机身13和主旋翼组件15，所述主旋翼组件15包括有主旋翼叶片17和主旋翼柄18。直升机11还具有尾旋翼组件19，所述尾旋翼组件19包括有尾旋翼叶片21和尾旋翼柄20。主旋翼叶片17 大体上绕主旋翼柄18的垂直轴16旋转。尾旋翼叶片21大体上围绕尾旋翼柄20的侧轴22 旋转。直升机11包括有根据本发明的振动隔离系统，所述振动隔离系统用于将直升机11 的机身13或其他部分从例如谐振的机械振动中隔离，所述机械振动与推进系统有关，是由直升机11的发动机、变速器以及旋翼引起的。本申请也能够在其他类型的旋翼机中使用。现参阅附图中的图2A和2B，显示了根据本发明的倾转旋翼飞机111。与传统的倾转旋翼飞机相同，翼件11 和11 承载有倾转旋翼组件113a和113b，倾转旋翼组件113a和11 分别布置在翼件11 和11 的端部 116a和116b。倾转旋翼组件113a和11 包括短舱120a和120b，其能够承载倾转旋翼飞机111的发动机和变速器，以及分别位于倾转旋翼组件113a和11 的向前端121a和121b 上的旋翼中心119a和119b。倾转旋翼组件113a和11 相对于翼件11 和11 在直升机模式和飞机模式间移动和旋转，在直升机模式中倾转旋翼组件113a和11 向上倾斜，以使得倾转旋翼飞机 111以传统直升机的形式飞行，在飞机模式中倾转旋翼组件113a和11 向前倾斜，以使得倾转旋翼飞机111以传统推进器驱动飞机的形式飞行。在图2A中，倾转旋翼飞机111处于飞机模式；在图2B中，倾转旋翼飞机111处于直升机模式。如图2A和2B所示，翼11 和 11 连接到机身114。倾转旋翼飞机111也包括有根据本发明的振动隔离系统，所述振动隔离系统用于将倾转旋翼飞机111的机身114或其他部分从例如谐振的机械振动中隔离， 所述机械振动与推进系统有关，是由倾转旋翼飞机111的发动机、变速器以及旋翼引起的。参阅附图中的图3，显示了根据本发明的四组倾转旋翼飞机211。正如图2A和2B 所示的倾转旋翼飞机111，向前翼215a、205c和尾翼251b、215d分别承载旋翼组件213a、 213b,213c 和 213d。倾转旋翼组件 213a,213b,213c 和 213d 包括短舱 320a,320b,320c 和 320d，其能够承载倾转旋翼飞机211的发动机和变速器，以及分别位于倾转旋翼组件213a、 213b,213c和213d的向前端上的旋翼中心219a,219b,219c和219d。倾转旋翼组件213a,213b,213c和213d相对于翼件215a,215b,215c和215d在直升机模式和飞机模式间移动和旋转，在直升机模式中倾转旋翼组件213a、213b、213c和 213d向上倾斜，以使得倾转旋翼飞机211以传统直升机的形式飞行；在飞机模式中倾转旋翼组件213a、213b、213c和213d向前倾斜，以使得倾转旋翼飞机211以传统推进器驱动飞机的形式飞行。在图3中，四组倾转旋翼飞机111处于飞机模式。如图3所示，翼215a、 2Kb、215c和215d连接到机身214。倾转旋翼飞机211也包括有根据本申请的振动隔离系统，所述振动隔离系统用于将机身214或倾转旋翼飞机211的其他部分从例如谐振的机械振动中隔离，所述机械振动与推进系统有关，是由四组倾转旋翼飞机211的发动机、变速器以及旋翼引起的。应当理解地是，本申请能够使用于期望具有根据本申请振动隔离效果的任何飞行器上，所示飞行器包括通过远程操作的无人操作空中飞行器。现参阅附图中的图4A，示出了在先技术中的用于飞行器的流体惯性振动消除器 (LIVE单元)327。在先技术LIVE单元327包括具有中空的且大体上呈圆柱形内部的外壳 343。可选择横截面直径的活塞347布置在外壳343的内部。外壳343通常能够连接到飞行器的机身(未示出)，活塞347通常能够通过电缆塔组件(pylon assembly)连接到飞行器的变速和推进系统(未示出)。在这种布置中，机身作为隔离振动的本体，飞行器的变速器作为振动本体。有弹性的密封件和弹簧件349，有弹性地密封位于外壳343内部的活塞 347。流体腔室361由外壳343的内部和活塞347限定，并通过弹性件349密封以抵制渗漏。相对高浓度和低黏度的振动隔离流体，也可称之为调谐流体，布置在流体腔室361内部。除了密封流体腔室361中的振动隔离流体，弹性件349还具有弹簧的功能，即允许活塞 347相对于外壳343移动或摆动，同时在不施加负载时，将活塞347维持在外壳343的中心位置处。调谐口或通道357在中心处贯穿活塞347，并允许振动隔离流体从流体腔室361的一端移动到另一端。圆锥形偏流器351设置在外壳343的每一端，并与调谐通道357的每一端的开口对齐并大致上相互反向。每个圆锥形偏流器351通过减速从流体腔室的每一端流入或流出通道357的振动隔离流体，以增加流体流动。现参阅附图中的图4B，示出了图4A中在先技术LIVE单元327的机械等效模型 375。在机械等效模型375中，框377代表机身Mfuselage的质量；框379代表电缆塔组件 Mpyl。n的质量；框381代表调谐块的质量Mt，在这种情况下，调谐块为振动隔离流体。振动力 F' sin(wt)由发动机、变速器以及推进系统产生。力Fsin(Wt)是变速器和推进系统的振动频率的函数。力Fsin(Wt)导致电缆塔组件的振荡位移Up ；机身的振荡位移Uf ；调谐块的振荡位移ut。通过弹簧382代表的弹性件349，布置在机身Mfuselage和电缆塔组件Mpyl。n之间。弹簧 382具有弹性常数K。机械等效模型375中，调谐块Mt用作连接到电缆塔组件Mpyl。n的第一支点383和连接到电缆塔组件Mpyl。n的第二支点385的悬臂。从第一支点383到第二支点385的距离 a代表调谐口 357的横截面面积，从第一支点383到调谐块Mt的距离b代表活塞347的有效横截面面积，例如面积比或液压比，R等于b与a的比。机械等效模型375产生下述的用于系统的运动方程。「M_+(R-l)2Mt -R(R-I)Mt IKI+ΓΚ -KlfupI JFsin(Grt)I
L "R(R-I)Mt M一+RMtIlifJ L-K KJluJ-I 0 J明显地是，主动调谐LIVE单元327的装置是不可行的。一旦调谐通道357和活塞 347的横截面面积确定后，调谐流体选定，LIVE单元327的运行被设定并不可能在不改变一个或多个特征的情况下改变。另一方面，本申请提供一种在运行中主动调谐LIVE单元功能的装置。现参阅附图中的图4C，示出了 LIVE单元327和机械等效模型375的振幅随频率的变化曲线图。
现参阅附图中的图5A和5B，示出了根据本申请的优选实施方式的可计量的流体惯性振动消除器501。振动隔离器501包括具有中空内部的外壳503。可选择横截面直径的活塞组件505布置在外壳503的内部。活塞组件505通常能够通过位于随附的托架521 上的电缆塔组件535连接到例如飞行器的变速器(未示出)的振动本体上。外壳503通常能够连接到隔离振动的本体，例如飞行器的机身的顶梁533。在这种布置中，机身作为隔离振动的本体，飞行器的变速器作为振动本体。有弹性的密封件和弹簧件507密封，并有弹性地定位外壳503内部的活塞组件505。活塞组件505限定了大体上伸长的调谐通道509，并包括位于活塞组件505的每一端上的支承架527。支承架527支承有位于活塞组件505的每一端上的可调节的量油杆组件 515。支承架527也作为从托架521到活塞组件505的结构管道，同时允许可选择振动隔离调谐流体531行走遍及外壳503。在优选实施方式中，支承架527包括三角架结构；然而支承架527可以为任何能够允许流体从活塞组件505流入外壳503的结构。量油杆组件 515包括球状物部分515，大体上笔直的部分537，机械螺丝传动517，一个或多个钻孔5 以及一个或多个渗透路径523。在图5A的实施方式中，量油杆组件511包括上钻孔529，上渗透路径523，下钻孔530，下渗透路径524。球状物部分515优选地为圆锥形形状，笔直的部分537大体上为恒定的直径。球状物部分515用于可选择地限制调谐流体531的流体流经调谐通道509。因此可以理解地是，依照可计量的流体惯性振动消除器501的预期响应，球状物部分515的尺寸、轮廓和形状可能与调谐通道509的尺寸、轮廓和形状相适配，或者相异。适用于可计量的流体惯性振动消除器的所有实施方式的这种特征在这里揭露。流体腔室519由外壳503的内部和活塞组件505限定。调谐流体531布置在流体腔室519和调谐通道509中。优选地是，调谐流体531具有低黏度的、相对高浓度及无腐蚀性的特性。弹性件507至少具有弹簧的功效，即允许活塞组件505相对于外壳503移动或摆动。当不施加负载时，弹性件507将活塞组件505定位在外壳503的大体上的中心处。调谐通道509在中心处贯穿活塞组件505的纵向轴线，以将流体腔室519划分为可进行流体交换的两个容积。涉及活塞组件505物理特征的调谐通道509的大致长度通过 Tl限定，并示出于图5A。量油杆组件511的球状物515至少部分地布置在调谐通道509内部。量油杆组件511由量油杆驱动器513控制。量油杆组件511贯穿外壳503，并通过钻孔5 在一端紧固，通过钻孔530在另一端紧固。钻孔5 和钻孔530沿径向方向紧固量油杆组件511，以允许量油杆组件511在机械螺丝传动517的作用下沿轴向方向移动。 当量油杆组件511相对于活塞组件505和外壳503移动，渗透路径523、5M分别容许位于流体腔室519和钻孔529、530间的压力均衡。为了阻止流体渗漏，一个弹性密封件525位于量油杆驱动器513和外壳503的结合部，另一个弹性密封件5 位于电缆塔随附的托架 521和外壳503之间。向电缆塔随附的托架521中引入的力，使得活塞组件505相对于外壳503移动。活塞组件505的移动使得隔离流体531以相反方向移动通过调谐通道509。流体531的移动产生惯性力，以抵消或隔离处于离散频率的活塞组件505的力。量油杆组件511的向上或向下的运动(通过量油杆驱动器51 ，分别增加或减少调谐通道509的有效直径。通过量油杆组件511的球状物部分515进一步地插入调谐通道509，可减少调谐通道509的有效直径。通过从调谐通道509部分地缩回量油杆组件511的球状物部分515，可增加调谐通道 509的有效直径。分别增加或减少调谐通道509的有效直径，可增加或减少隔离频率。下面的方程式给出了调谐通道509的有效直径(d)、活塞组件505的直径(D)、弹性件507的弹性常数⑷、调谐通道509的长度Tl (L)、隔离流体531的质量密度(P )、重力(g)以及隔离频率(f)之间的基本上的线性关系。
权利要求
1.一种振动隔离器，包括 外壳，具有流体腔室；流体，布置在流体腔室内部； 活塞组件，有弹性地设置在外壳内部； 由活塞组件限定的调谐通道；至少一个连接到活塞组件的托架，以用于将力传输到活塞组件；以及可调节的量油杆组件，构造成用于改变调谐通道的有效直径，所述量油杆组件包括至少部分地布置在调谐通道内部的球状物部分。
2.如权利要求1所述的振动隔离器，其中，调谐通道由活塞组件形成，以将流体腔室划分为两个可进行流体交换的容积。
3.如权利要求1所述的振动隔离器，其中，活塞有弹性地连接到具有至少一个弹性件的外壳。
4.如权利要求1所述的振动隔离器，其中，活塞包括 调谐通道部分；以及支承架。
5.如权利要求1所述的振动隔离器，进一步包括量油杆驱动器，可操作地连接到量油杆组件，用以可选择地调节量油杆组件的位置。
6.如权利要求5所述的振动隔离器，进一步包括驱动装置，可操作地连接到量油杆驱动器，其中驱动装置选自电驱动器、液压驱动器、 气压驱动器和电磁驱动器。
7.如权利要求5所述的振动隔离器，其中，量油杆驱动器利用机械螺丝传动来移动量油杆组件。
8.如权利要求1所述的振动隔离器，其中，外壳连接到飞行器的顶梁。
9.如权利要求1所述的振动隔离器，其中，活塞组件连接到飞行器的电缆塔组件。
10.如权利要求4所述的振动隔离器，其中，量油杆组件滑动地连接到支承架。
11.如权利要求1所述的振动隔离器，进一步包括 至少一个钻孔，用于支承可调节量油杆组件。
12.如权利要求11所述的振动隔离器，进一步包括 渗透路径，用于提供流体腔室和每一钻孔之间的压力均衡。
13.一种飞行器，包括 机身；由机身载携的电缆塔组件；以及振动隔离器，布置在机身和电缆塔组件之间，所述振动隔离器包括 外壳，具有流体腔室； 流体，布置在流体腔室内部； 活塞组件，有弹性地设置在外壳内部； 弹性件，用于有弹性地将活塞组件连接到外壳；以及可调节的量油杆组件，连接到外壳，用于改变调谐通道的有效直径，量油杆组件的球状物部分至少部分地布置在调谐通道内部。
14.如权利要求13所述的飞行器，其中，振动隔离器的频率响应由量油杆组件的驱动来调节。
15.一种振动隔离器，包括外壳，具有上流体腔室和下流体腔室； 流体，布置在上流体腔室和下流体腔室内部；活塞组件，有弹性地设置在外壳内部，活塞组件限定了位于上流体腔室和下流体腔室之间的调谐通道；可调节的量油杆组件，用于改变调谐通道的有效直径；至少一个调谐元件，可操作地连接到上流体腔室和下流体腔室中的至少一个；以及驱动活塞，连接到每一调谐元件，用于加强相应流体腔室中的流体的移动。
16.如权利要求15所述的振动隔离器，进一步包括 至少一个电伺服发动机，用于驱动量油杆驱动器。
17.如权利要求16所述的振动隔离器，其中，至少一个电伺服发动机，响应传感器的信号，自动地驱动量油杆驱动器。
18.如权利要求15所述的振动隔离器，其中，调谐流体具有低黏度和高浓度。
19.如权利要求15所述的振动隔离器，其中，调谐元件的材料选自压电陶瓷、磁致伸缩和电磁材料。
20.一种调节振动隔离器中的频率响应的方法，包括 提供具有流体腔室的外壳；有弹性地在外壳内部设置活塞，活塞在流体腔室内部形成调谐通道； 可操作地将可调节量油杆组件连接到调谐通道；以及可选择地驱动可调节量油杆组件，用以改变调谐通道的有效直径，从而调节振动隔离器的频率响应。
全文摘要
本发明提供可调谐的振动隔离器，包括外壳、流体腔室以及至少一个调谐通道。活塞组件有弹性地布置在外壳内部。振动隔离器流体允许从流体腔室流经调谐通道。计量阀上、下驱动以改变调谐通道的有效直径，从而改变隔离频率。
文档编号F16M1/00GK102282407SQ200880132425
公开日2011年12月14日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者F·B·斯坦, M·R·史密斯 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司