JP3295271B2 - モーメント補償装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、船舶のピストン推進エ
ンジン、特に大型２ストローククロスヘッドエンジンに
おける慣性力に起因する自由モーメントを補償するため
の装置に関し、この装置は船舶の長手方向においてエン
ジンから所定の距離だけ離れて装着されるようになって
いて、水平軸のまわりで回転できる不平衡質量体と、装
置の始動後に不平衡質量体の回転数及び位相角をエンジ
ンの速度及び位相角の関数として制御できる制御装置と
一緒に不平衡質量体を回転させる駆動手段とを有する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】このような装置及びその
作動方法は既知で、例えばヨーロッパ特許第００１０９
７３号明細書に開示されている。この特許明細書は、エ
ンジンの第１級の自由モーメントを補償するための単一
の不平衡質量体と、第１及び第２級の外部モーメントを
それぞれ補償するための２つの不平衡質量体とを備えた
装置を開示している。第２級モーメント補償機構は既知
で、水平軸のまわりで反対方向に回転する２つの回転質
量体により発生せしめられる可変の垂直補償力を補償す
る。船舶のメインエンジンに関連して使用するモーメン
ト補償機構は通常大きな補償力を生じさせねばならず、
個々の回転質量体は十分大きな補償力を生じさせること
ができるようにかなり大きな質量を有する必要がある。
水平軸のまわりで回転する不平衡質量体を有する既知の
船舶用補償機構の共通の特徴は始動が困難なことであ
る。その理由は、回転運動を開始させるに当たり、大き
な質量による大きな重力に打ち勝って不平衡質量体を回
転させなければならないからである。

【０００３】既知の装置の不平衡質量体を回転させるた
めの多数の異なる方法が開発されてきた。１つの方法に
よれば、不平衡質量体が完全１回転でき、その速度をゆ
っくり増大させ、エンジンと同期できるようになるま
で、不平衡質量体を回転させる駆動手段を数回切り換え
て、質量体を大きな振幅の振り子運動で一方向及び反対
方向へ駆動する。制御装置は振動運動の着実に増大する
振幅に応じて連続的に駆動手段を切り換える時間を調整
しなければならない。これを行うには、極めて小さな回
転速度で大きなトルクを生じさせることのできる複雑で
高価な制御装置を必要とする。上述のヨーロッパ特許に
おいては、極めて大きな始動トルクを生じさせるため
に、エンジンに装着したポンプから液圧流体を供給され
る液圧モータを使用している。しかし、大きな出力を発
生させるために液圧モータ及びポンプの寸法を大きくす
る必要があり、更に、ポンプと液圧モータの間の長い流
体的配管も必要となり、このため、モーメント補償装置
を十分正確に制御することが困難であることが分かっ
た。

【０００４】ヨーロッパ特許出願第０４０９４６２号明
細書はエンジンにより発生する振動を補償するための装
置を開示している。この装置は反対方向に回転する２対
となって同心的に配置された４つのロータを有する。望
ましくない振動の大きさに応じて装置により発生される
慣性力の大きさを調整するために、装置の作動中に、各
対の２つのロータの相対角度位置を０°と１８０°との
間で調整できる。４つのロータの位置は、各ロータのた
めの電気モータを制御する制御ユニットへ位置信号を伝
達する静止のセンサにより検出され、補償力の大きさ及
び位相をエンジンの作動条件の関数として調整する。ロ
ータは小さな不平衡質量を有し、４つの電気モータは、
始動時の特別な制御を必要とせずに回転運動を生じさせ
ることができる。船舶のためのモーメント補償装置にお
いては、不平衡質量体は、各質量体に直接接続した電気
モータにより装置を始動させるのが困難なほど大きな質
量を有し、不平衡質量体の運動を調整する場合は、モー
タが違う信号を受けてから質量体が新たな速度で回転す
るまでに、ある程度の時間がかかってしまう。

【０００５】米国特許第４，２８９，０４２号明細書
は、共通の回転軸のまわりで同軸的に装着された２つの
ロータを有するバイブレータを開示しており、これらロ
ータの相対角度位置は、バイブレータのストロークを調
整するために、すなわち、振動発生力の大きさを調整す
るために、調整できる。

【０００６】フランス国特許第１，１１５，５５５号明
細書は、共通のシャフトに回転可能な状態で支承された
２つのロータを有するバイブレータを開示している。一
方のロータはバネ負荷フックを担持し、このフックは、
他方のロータを捕捉保持でき、これらロータ間の不平衡
を相殺するような相対位置にこれらロータを維持させ
る。バイブレータの始動後にロータが十分大きな速度で
回転したとき、フックが解除され、ロータは、不平衡質
量が最大の不平衡状態となるような第２の相対位置まで
回転する。

【０００７】

【発明の目的】本発明の目的は、極めて大きな不平衡質
量体の場合でさえも、簡単な制御で、小さな始動トルク
により始動させることのできる、信頼性の高い自由モー
メント補償装置を提供することである。

【０００８】

【発明の構成並びに作用効果】上記目的を達成するた
め、本発明に係る装置の特徴とするところは、ユニット
として回転できる不平衡質量体がそれ自体既知の方法で
２つの不平衡重りに分割されており、これらの各重りが
共通水平回転軸と同軸的に支承されハウジング内で延び
る対応するシャフト部分に偏心的に装着されており；シ
ャフト部分が中空で、一方のシャフト部分については右
ねじれで、他方のシャフト部分については左ねじれの内
側螺旋歯部を具備しており；回転軸と同軸の中央シャフ
トがハウジング内で長手方向に変位できるように装着さ
れており；シャフト部分の内側螺旋歯部が中央シャフト
上の対応する外側螺旋歯部に係合しており；調整装置が
不平衡重りの質量の共通中心が回転軸の近傍に位置する
第１位置と、質量の共通中心が回転軸から一層離れて位
置する第２位置との間での回転運動中に回転軸に関して
不平衡重りの相対位置を移動させるために中央シャフト
を長手方向に変位させることができるようになっている
ことである。

【０００９】中央シャフトが長手方向に変位すると、螺
旋歯部が不平衡重りを回転軸のまわりで反対方向に回転
させ、これにより、質量の共通中心を回転軸に関して半
径方向へ変位させる。中心シャフトが回転軸の方向へ変
位しない場合、中央シャフトは不平衡重りが相対的に回
転するのを阻止し、これらの不平衡重りは一体の運動と
なって回転する。本発明に係る装置はコンパクトであ
り、中央シャフトは極めて正確で迅速な作動方法で極め
て大きな調整力を２つの不平衡重りに伝達できる。本発
明の本質的な特徴は、軸方向に作用する大きな調整力が
例えば液圧ピストン／シリンダユニットにより簡単な方
法で得られるので、中央シャフトの長手方向の変位によ
り調整を行うことができることである。

【００１０】装置が始動するとき、質量の中心が回転軸
に一層近づくか回転軸に一致するように不平衡質量体を
調整することができ、また、不平衡質量体が初期の回転
運動において大きな重力に抗して持ち上がらないように
（つまり、慣性モーメントが小さくならないように）不
平衡質量体の不平衡度を適当に小さく又はゼロにするこ
とができる。このようにすれば、初期の振り子運動を必
要とせずに、比較的小さなトルクで不平衡質量体を回転
させることができる。従って、オン／オフ回路ブレーカ
を備えた電気モータの如き小型で簡単に制御できる駆動
子を使用することができる。

【００１１】不平衡質量体が回転したとき、質量の中心
は回転軸から離れるようになる。一旦不平衡質量体が回
転すると、偏心質量に対する重力の影響は邪魔されな
い。その理由は、重力が、質量の上方への揺動運動中に
吸収されるエネルギに対応する運動エネルギを質量の下
方への揺動運動中に発生させるからである。

【００１２】大半の駆動モータは、静止しているときよ
りも回転したときに大きなトルクを発生させるが、本発
明においては、駆動モータの始動時に、不平衡質量体の
質量の中心を回転軸に一層近づけるか回転軸に一致させ
るという実質的な効果を奏することができる。回転軸か
ら離れる方向への不平衡質量体の質量の中心の移動は、
例えば５０°又は１００°の比較的小さな角度回転の後
に開始することができるが、好ましくは、不平衡質量体
の質量の中心は、必要なトルクに対する重力の影響をで
きる限り排除するように、少なくとも不平衡質量体の最
初の半回転の間は、回転軸上に維持される。質量の中心
が回転軸から離れるように移動する前に、駆動モータが
最大トルクを生じさせるような速度まで不平衡質量体を
加速するのが実用的であるといえる。

【００１３】推進エンジンの外部モーメント即ち第２級
の自由モーメントはエンジンの往復運動する質量につい
ての慣性力により発生せしめられ、このモーメントの大
きさはエンジン速度に依存する。エンジンの第２級の自
由モーメントは船体の振動モードに大きなエネルギを与
え、その固有振動数はエンジンの現在の速度の２倍に等
しい。大型２ストロークディーゼルエンジンについて、
例えば９０ｒｐｍの速度では、第２級の自由モーメント
が船体の４節又は５節垂直振動モールでの共鳴振動を発
生させる場合がある。関連する船体の振動モード及び節
（波節）の位置は船舶の負荷状態に依存する。補償装置
の垂直補償力は補償モーメントを発生させ、その大きさ
は補償装置から船体振動の最も近い波節までの水平距離
の関数となる。

【００１４】同じ負荷状態の下では、最も近い波節まで
の距離は変化することがある。その理由は、エンジンの
速度が変化したときに、関連する船体の振動モードが一
層多数の波節又は一層少数の波節を有する振動モードに
変化するからである。例えば、全負荷においては、エン
ジンは５節振動モードを発生させ、部分負荷（即ち、一
層遅いエンジン回転速度）においては、４節振動モード
を発生させる場合がある。更に、上述のように、同じ振
動モードにおいても、波節の位置は、船舶における負荷
（荷重）の分布及び量に応じて変化する場合がある。

【００１５】エンジンからの自由モーメント（好ましく
は、第２級の自由モーメント）により発生せしめられる
振動は船舶の船体に関連する振動センサにより検出する
ことができ、検出した振動信号に基づき、コンピュータ
ユニットは、不平衡質量体の質量の中心と回転軸との間
の距離の連続的な振動減衰調整に使用する制御信号を決
定できる。測定した現在の振動レベルに基づき、コンピ
ュータユニットが振動の減少が望ましいと判定したと
き、補償力を増大させる必要があるか又は減少させる必
要があるかに応じて、不平衡質量体の質量の中心は回転
軸に対して一層離れるか又は近づくように調整される。
エンジンの作動の関数として補償装置の回転数及び位相
角を調整する外に、本発明に係る装置は、船舶の船体の
実際に測定した振動に基づき、エンジンの現在の作動に
応じた補償力の大きさ及び船舶の負荷状態を調整でき
る。振動の測定、及び装置の不平衡度の調整を連続的に
行う必要はないが、これらの測定及び調整は、船舶の負
荷状態が変化した後及び（又は）エンジン負荷が実質上
変化したときに、適当な期間にわたって行うことができ
る。

【００１６】もちろん、経験的に得られた数値データに
基づき、船舶の負荷状態及びエンジンの作動状態の関数
として、不平衡質量体の質量の中心を自動的に調整でき
るが、この場合は、振動センサを省略することができ
る。

【００１７】不平衡質量体を回転させる駆動手段は中央
シャフトに適当に作用することができ、このシャフトは
２つのシャフト部分のそれぞれに直接係合する。

【００１８】連続的な操作での不平衡度の大きさの調整
を考慮して、調整可能な端ストッパにより、中央シャフ
トの変位を制限できる。この調整は手動で行ってもよい
し、自動的に行ってもよい。

【００１９】

【実施例】図１は船舶のメインエンジンにより発生する
自由モーメントを補償する装置を示す。エンジンは最大
連続定格で８０−１２０ｒｐｍ（毎分の回転数）の速度
で回転する大型２ストローククロスヘッドエンジンでよ
い。低速の場合は、エンジンにより発生する自由モーメ
ントは低周波数モーメントとなって、船舶の船体におけ
る垂直振動を伴う共鳴振動を発生させる危険性があり、
モーメント補償装置を使用する必要が生じる。

【００２０】モーメント補償装置は船体の適所（例え
ば、船体の振動モードにおける最も近い波節に対して通
常有効な長い距離を提供するステアリングギヤルーム）
に位置した座にボルト止め又は溶着されたハウジング１
０２を有する。第１の不平衡重り１０４及び第２の不平
衡重り１１０はハウジング１０２内の軸受２０３により
同軸的に支承された対応するシャフト部分２１０、２０
２に取り付けられ、第１不平衡重りは船舶の長手方向垂
直中心線に実質上垂直な回転軸のまわりで回転できる。

【００２１】第１及び第２の不平衡重りは共働して不平
衡質量体を形成し、この質量体は、チェーン又は同期伝
達ベルト１１４を介して一方のピボット上の歯車１１５
に作用する駆動モータ１１３（このモータはハウジング
１０２に装着されている）により、回転軸のまわりで共
通の運動として回転できる。エンジンと同期して不平衡
質量体が回転するとき、この質量体の共通の中心は、不
平衡質量体の現在の速度においてこの質量体の中心に作
用する遠心力が所望の補償モーメントを発生させる大き
さとなるような距離だけ回転軸から離れている。エンジ
ンからの第１級の自由モーメントを補償するために装置
を使用する場合は、不平衡質量体はエンジンと同じ速度
で回転し、第２級の自由モーメント等を補償するために
装置を使用する場合は、不平衡質量体はメインエンジン
の２倍の速度で回転する。

【００２２】電子コンピュータユニットの如き制御装置
はメインエンジンの回転数及び位相角と同期させて不平
衡質量体の回転数及び位相角を制御する。この制御装置
はワイヤを介して駆動モータのためのモータ制御子（例
えば、駆動モータが電気モータである場合は制御回路）
に接続される。制御装置は少なくとも、不平衡質量体の
回転運動に関する情報をゼロパルス発信器１１９から受
け取り、この発信器は、小さな作動手段１２１が発信器
を通過する毎に、ワイヤ１２０を介して信号を制御装置
へ送信するものである。

【００２３】ゼロパルス発信器１１９からの信号は、作
動手段１２１及びエンジンに装着したゼロパルス発信器
に関連して不平衡質量体の質量の中心位置の位相修正を
考慮して、不平衡質量体の現在の位相角を決定するため
に使用される。位相修正は制御装置の調整部材を用いて
手動で調整できる。所定の期間におけるゼロパルス発信
器１１９からの信号の数を計数することにより、制御装
置は不平衡質量体の現在の回転速度を決定することがで
きる。

【００２４】不平衡質量体の速度の一層敏感な測定を行
いたい場合は、制御装置はインパルス発生器に接続でき
る。このインパルス発生器は、不平衡質量体が１回転の
一部だけ揺動したときに信号を発生させるものである。
この目的に使用される種々のインパルス発生器は既知で
あり、例えば、所謂光学増分エンコーダ(Optical Incre
mental Encoder) 又は歯車１１５の各歯の通過を検出
し、歯車の１回転に対して歯車の歯数に対応する数の信
号を発生させる磁気センサでよい。測定した信号に基づ
き、制御装置は不平衡質量体の現在の角度位置、角速度
及び各加速度を決定できる。

【００２５】メインエンジンの位相角及び速度について
の現在の値に関する情報は制御装置へ伝達される。この
情報を不平衡質量体の運動についての対応する現在の値
と比較することにより、制御装置は２つの運動を同期さ
せるように駆動モータ１１３への信号を制御する。

【００２６】２つのシャフト部分は中空で、それぞれ右
ねじれ及び左ねじれの内側螺旋歯部２０４、２０５を具
備する。中央シャフト２０６は２つのシャフト部分の内
側で回転軸の方向へ長手方向に変位できるように装着さ
れ、シャフト部分の対応する螺旋歯部に係合する対向す
る螺旋歯部を備えた２つの区分２０７、２０８を具備す
る。螺旋歯部はシャフト２０６の長手方向変位を２つの
不平衡重りの反対方向の回転運動に変換する。

【００２７】歯車１１５はハウジング１０２の軸受（図
示せず）に支承され、相対回転できない状態でシャフト
２０６に装着されるが、歯車及びシャフトの軸に平行な
関連するスプライン２０９により、長手方向に変位でき
る。歯車１１５及び伝達ベルト１１４を介して、駆動モ
ータ１１３は中央シャフトにトルクを作用させ、このト
ルクは螺旋歯部を介して不平衡重りへ伝達され、これら
の不平衡重りを一体運動として回転させることができ
る。

【００２８】装置を始動させたい場合は、不平衡重りを
相対的に回転させ、不平衡質量体の質量の共通中心を回
転軸に一層近づける。これは調整装置により行うが、こ
の調整装置は中央シャフトの端部に取り付けられピスト
ン手段２１１の内側に位置したキャリヤ部分２１０から
成り、ピストン手段のピストン２１２は流体チャンネル
１３８、１３９に接続した圧力チャンバ２１３内に位置
し、流体チャンネル１３８、１３９はピストンの両側の
チャンバポートにそれぞれ通じ、制御弁１４０を介して
圧力源１４１及びドレン１４２にそれぞれ接続する。図
示の弁１４０の位置においては、ピストンの左側のチャ
ンバポートが加圧されてピストンを図示の位置に保持
し、この位置は、圧力チャンバのハウジングの外表面に
当接する調整可能なストッパ２１５により規制される。
この位置において、不平衡重りは第２の活動角度位置に
ある。装置を静止状態から始動させたい場合は、弁１４
０を切り換えて、流体圧力をピストン２１２の右側に作
用させ、ピストンを第２極限位置まで左方へ移動させ
る。その結果、キャリヤ部分２１０が中央シャフトを長
手方向へ変位させて不平衡重りを第１位置へ運び、これ
らの重りの質量中心を回転軸の両側で直径方向において
対向させる。固定のキャリヤ部分に関するシャフトの回
転運動は軸受２１４により可能とされる。

【００２９】不平衡重りの第１相対角度位置は図２に示
すが、この位置においては、不平衡重りの質量Ｍ₁、Ｍ₂
の中心は回転軸の両側で直径方向において対向してお
り、その質量の共通中心Ｍ₁₊₂ は回転軸にできる限り近
づき、不平衡質量体の不平衡度は最小になる。図示の例
においては、２つの不平衡重りの質量の共通中心が回転
軸に一致し、不平衡度がゼロとなっている。

【００３０】不平衡質量体が回転してしまうと、制御弁
１４０が適当な時間で切り換えられ、不平衡重りが第２
位置へ揺動し、不平衡質量体に所望の不平衡度を与え
る。流体ドレン１４２は、例えば２０秒でシフトが生じ
るように流出オイルを制御するオリフィスを有すること
ができる。この第２位置はストッパ２１５を調整するこ
とにより調整できる。図４は、例えば不平衡重りが小さ
な角度α相対回転するだけで他方の極限位置へ到達でき
る状態を示す。この状態（位置）における不平衡質量体
の共通中心Ｍ₁₊₂ は回転軸からほんの少しだけ離れてお
り、不平衡質量体の不平衡度は小さい。

【００３１】図２−４から分かるように、不平衡質量体
の共通中心Ｍ₁₊₂ は、不平衡重りが相対的に回転したと
きに、回転軸７に関する角度位置を変化させる。これに
より、メインエンジンに関する不平衡質量体の運動につ
いての位相修正値が変化する。制御装置は位相修正と不
平衡重りの相対角度位置との間の相関関係に関する修正
テーブルを包含することができる。

【００３２】振動センサは、垂直船体振動の抗波節部又
は船舶の一端となることが経験上知られているような位
置において、又は、主甲板上において、船舶の船体に装
着できる。このセンサは制御装置に接続していて、測定
した船体の現在の振動に基づき、補償モーメントを最適
の振動減衰値へ連続的に調整するように、制御装置が不
平衡重りの相対角度位置を微調整できる。

【００３３】本発明は従来の補償装置よりも実質上大き
な不平衡度を有する振動補償装置を提供できる。３００
ｋｇ×ｍまでの不平衡度を提供できる補償装置は既知で
ある。本発明によれば、回転軸７から５３．７ｃｍの距
離ｒだけ離れて位置した質量Ｍ₁₊₂ の中心を有する５５
９０ｋｇの重量の不平衡質量体に対応する例えば３００
０ｋｇ×ｍまでの不平衡度を使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る装置の縦断面図であ
る。

【図２】図１の装置の２つの不平衡重りの第１の角度位
置を示す端面図である。

【図３】図１の装置の２つの不平衡重りの第２の角度位
置を示す端面図である。

【図４】図１の装置の２つの不平衡重りの第３の角度位
置を示す端面図である。

【符号の説明】

７ 回転軸 １０２ ハウジング １０４、１１０ 不平衡重り １１３ 駆動モータ １１４ 伝達ベルト ２０１、２０２ シャフト部分 ２０４、２０５ 螺旋歯部 ２０６ 中央シャフト ２０７、２０８ 螺旋歯部 ２１５ ストッパ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 594140904 Ｃｅｎｔｅｒ Ｓｙｄ，161 Ｓｔａｍ ｈｏｌｍｅｎ，ＤＫ−2650 ＨＶＩＤＯ ＶＲＥ，Ｄｅｎｍａｒｋ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 77/00 F16F 15/22 F16H 33/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大型２ストローククロスヘッドエンジン
   の如き船舶のピストン推進エンジンにおける慣性力に起
   因する自由モーメントを補償するための装置であって、
   船舶の長手方向においてエンジンから所定の距離だけ離
   れて装着され、水平軸のまわりで回転できる不平衡質量
   体と、不平衡質量体を回転させる駆動手段と、当該不平
   衡質量体の回転数及び位相角をエンジンの速度及び位相
   角の関数として制御する制御装置とを有する補償装置に
   おいて、 ユニットとして回転できる上記不平衡質量体が２つの不
   平衡重り即ち第１不平衡重り（１０４）及び第２不平衡
   重り（１１０）に分割されており、これらの各重りが共
   通水平回転軸と同軸的に支承されハウジング（１０２）
   内で延びる対応するシャフト部分（２０１、２０２）に
   偏心的に装着されており；上記シャフト部分が中空で、
   一方のシャフト部分については右ねじれで、他方のシャ
   フト部分については左ねじれの内側螺旋歯部（２０５、
   ２０５）を具備しており；上記回転軸と同軸の中央シャ
   フト（２０６）が上記ハウジング内で長手方向に変位で
   きるように装着されており；上記シャフト部分の上記内
   側螺旋歯部が上記中央シャフト上の対応する外側螺旋歯
   部（２０７、２０８）に係合しており；調整装置が上記
   不平衡重りの質量（Ｍ₁₊₂） の共通中心が上記回転軸の
   近傍に位置する第１位置と、上記質量の共通中心が当該
   回転軸から一層離れて位置する第２位置との間での回転
   運動中に該回転軸に関して当該不平衡重りの相対位置を
   移動させるために上記中央シャフト（２０６）を長手方
   向に変位させることができるようになっていることを特
   徴とする補償装置。
2. 【請求項２】 上記不平衡質量体を回転させる上記駆動
   手段（１１３、１１４）が上記中央シャフトに作用する
   ことを特徴とする請求項１の補償装置。
3. 【請求項３】 上記中央シャフト（２０６）の変位が調
   整可能な端ストッパ（２１５）により制限されることを
   特徴とする請求項１又は２の補償装置。