一種低頻隔振超材料軸結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低頻隔振超材料軸結構,包括串聯排列的晶胞單元,晶胞單元包括軸基體、套設于軸基體外圓周上的彈性圈以及套設于彈性圈外圓周上的質量圈,彈性圈上沿其軸向均勻開設有緩沖槽。本發明所提供的低頻隔振超材料軸結構,用于替代傳統機械設備軸系,具有低頻隔振能力強的突出特點,可在0~100Hz以內形成禁帶,抑制扭轉振動的傳播,同時其對軸系扭轉剛度降低較小,不影響軸系傳遞效率,結構簡單,所使用基礎材料皆為常規材料,易于批量化加工、生產。可用于汽車、列車、船艦、飛機等設備中低頻扭轉振動與低頻噪聲的降低、隔離及控制。
【專利說明】
一種低頻隔振超材料軸結構
技術領域
[0001]本發明屬于振動噪聲控制和功能復合材料的交叉技術領域,具體涉及一種低頻隔振超材料軸結構。
【背景技術】
[0002]—直以來,低頻扭轉振動都是傳動軸系使用中所面臨的棘手問題,由于其能量衰減慢,傳播距離遠,穿透能力強的特點,難以控制和阻隔,對工業生產及人體都產生了很大的危害。在汽車中,傳動軸系的低頻扭轉振動會引起齒輪敲擊(Gear Rattle)、車內低頻轟鳴(Booming Noise)等噪聲問題,降低車內乘坐舒適性,同時還會引起變速器及主減速器齒輪損壞,嚴重時甚至會造成傳動軸和驅動軸斷裂,危及車內乘員的生命安全。在工業生產中,低頻扭轉振動會降低加工精度、生產效率和機械設備的使用壽命,嚴重時會造成機械設備損壞、生產中斷等重大事故。
[0003]傳統軸系一般扭轉剛度較大,對于低頻扭轉振動的隔離能力較差;而若使用剛度較小的構造,又會大大降低軸系的傳遞效率及耐久性。因此,迫切需要提出一種新型的具有低頻扭振隔離功能且保持較強扭轉剛度的軸系結構。近年來,聲學超材料技術發展迅速,聲學超材料是指具有負等效質量密度或負等效模量的人工亞波長結構,由于其具有良好的低頻彈性波帶隙及導波特性,在低頻減振降噪方面具有廣泛的應用前景,為低頻隔振的新型軸結構提供了一條可行路徑。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是解決上述問題,提供一種低頻隔振能力強的低頻隔振超材料軸結構。
[0005]為解決上述技術問題,本發明的技術方案是:一種低頻隔振超材料軸結構,包括串聯排列的晶胞單元,晶胞單元包括軸基體、套設于軸基體外圓周上的彈性圈以及套設于彈性圈外圓周上的質量圈,彈性圈上沿其軸向均勻開設有緩沖槽。
[0006]優選地,所述彈性圈包括至少兩層依次粘接的阻尼層。
[0007]優選地,所述阻尼層通過粘性阻尼膠粘接。
[0008]優選地,所述阻尼層由彈性或粘彈性材料制成。
[0009]優選地,所述彈性圈包括三層依次粘接的阻尼層,緩沖槽貫穿三層阻尼層,其中緩沖槽在最外側的阻尼層上的槽寬與其在最內側的阻尼層上的槽寬相等,緩沖槽在中間的阻尼層上的槽寬最小。
[0010]優選地,所述緩沖槽貫穿整個彈性圈。
[0011]優選地,所述軸基體為實心軸或空心軸管。
[0012]優選地,所述質量圈由金屬材料制成。
[0013]優選地,所述晶胞單元的數量至少為一個。
[0014]本發明的有益效果是:
[0015](I)本發明所提供的一種低頻隔振超材料軸結構,用于替代傳統機械設備軸系,具有低頻隔振能力強的突出特點,可在O?10Hz以內形成禁帶,抑制扭轉振動的傳播,在O?200Hz以內形成較寬聲學禁帶,隔離軸系中扭轉振動的傳播。
[0016](2)本發明低頻隔振超材料軸結構對軸系扭轉剛度降低較小,不影響軸系傳遞效率,結構簡單,所使用基礎材料皆為常規材料,易于批量化加工、生產。
[0017](3)低頻隔振超材料軸結構幾何尺寸與傳統材料軸相近,便于裝備,可用于汽車、列車、船艦、飛機等設備中低頻扭轉振動與低頻噪聲的降低、隔離及控制。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明單個晶胞單元的結構示意圖;
[0019]圖2是本發明單個晶胞單元的立體剖視圖;
[0020]圖3是本發明單個晶胞單元的半剖圖;
[0021]圖4是本發明單個晶胞單元的側視圖;
[0022]圖5是串聯排列的晶胞單元組成的低頻隔振超材料軸結構的半剖圖;
[0023]圖6是本發明低頻隔振超材料軸結構的立體結構示意圖;
[0024]圖7是本發明低頻隔振超材料軸結構的仿真結果圖。
[0025]附圖標記說明:1、軸基體;2、彈性圈;3、質量圈;4、緩沖槽。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明:
[0027]如圖1至圖6所示,本發明的一種低頻隔振超材料軸結構,包括至少一個晶胞單元,晶胞單元包括軸基體1、彈性圈2和質量圈3,彈性圈2套設于軸基體I外圓周上,質量圈3套設于彈性圈2外圓周上,彈性圈2上沿其軸向均勻開設有緩沖槽4。緩沖槽一方面可降低彈性圈扭轉剛度,滿足形成低頻禁帶的需求,另一方面,當振動過于劇烈時,緩沖槽兩側材料由于劇烈變形而貼合,起到保護超材料軸結構的作用。
[0028]如圖5和圖6所示,若干晶胞單元串聯排列組成低頻隔振超材料軸結構。作為進一步的改進,上述晶胞單元的軸基體可以采用同一根。
[0029]彈性圈2包括至少兩層阻尼層,阻尼層由彈性或粘彈性材料制成,如丁腈橡膠、硅橡膠或復合橡膠等。阻尼層間通過粘性阻尼膠粘接,層間界面阻尼具有較強的減振效果。更改彈性圈的阻尼層層數以及阻尼膠的選擇,可實現阻尼可控設計。
[0030]質量圈由密度較大的金屬材料制成,如鐵、銅等,軸基體為實心軸或空心軸管。
[0031]如圖3所示,在本實施例中,在單個晶胞單元中,軸基體的長度為30mm,內徑為34mm,外徑為40mm,米用鋼材。彈性圈的內徑為40mm,外徑為46mm,長度為10mm,材料為丁腈橡膠復合材料。質量圈的內徑為46mm,外徑為48mm,長度為12mm,材料為鋼。
[0032]如圖4所示,彈性圈包括三層依次粘接的阻尼層,緩沖槽貫穿整個彈性圈的阻尼層,其中緩沖槽在最外側的阻尼層上的槽寬與其在最內側的阻尼層上的槽寬相等,緩沖槽在中間的阻尼層上的槽寬最小。
[0033]將上述六個晶胞單元串聯排列組成如圖6所示的低頻隔振超材料軸結構,對該超材料軸結構施加轉矩掃頻機理,測得軸兩端扭轉振動角加速度,并據此獲得沿軸線傳播的扭轉振動傳遞函數。如圖7所示,在該軸結構中,沿軸線傳播的扭轉振動傳遞函數在50?10Hz的低頻范圍內振動傳遞函數低于_20dB,有效隔絕該頻段內扭轉振動的傳播,形成聲學禁帶效果。而普通軸并沒有這樣的效果。
[0034]實際應用中,可根據工程需求,對晶胞單元幾何尺寸、晶胞單元排列個數、禁帶頻率及帶寬、振動衰減力度、緩沖槽的槽寬等進行設計。
[0035]本領域的普通技術人員將會意識到,這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理,應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合,這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:包括串聯排列的晶胞單元,晶胞單元包括軸基體(I)、套設于軸基體(I)外圓周上的彈性圈(2)以及套設于彈性圈(2)外圓周上的質量圈(3),彈性圈(2)上沿其軸向均勻開設有緩沖槽(4)。2.根據權利要求1所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述彈性圈(2)包括至少兩層依次粘接的阻尼層。3.根據權利要求2所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述阻尼層通過粘性阻尼膠粘接。4.根據權利要求2所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述阻尼層由彈性或粘彈性材料制成。5.根據權利要求2-4任一所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述彈性圈(2)包括三層依次粘接的阻尼層,緩沖槽(4)貫穿三層阻尼層,其中緩沖槽在最外側的阻尼層上的槽寬與其在最內側的阻尼層上的槽寬相等,緩沖槽在中間的阻尼層上的槽寬最小。6.根據權利要求1所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述緩沖槽(4)貫穿整個彈性圈(2)。7.根據權利要求1所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述軸基體(I)為實心軸或空心軸管。8.根據權利要求1所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述質量圈(3)由金屬材料制成。9.根據權利要求1所述的低頻隔振超材料軸結構,其特征在于:所述晶胞單元的數量至少為一個。
【文檔編號】F16C3/02GK105864272SQ201610347590
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】吳昱東, 丁渭平, 楊明亮, 朱洪林, 馬逸飛
【申請人】西南交通大學