CN105465197B - 吸收结构声的装置 - Google Patents
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Abstract
吸收结构声的装置包括至少一个扭矩传递法兰(4)，具有至少两层(5,6,7)不同的减振能力和刚度的材料相互堆叠形成。法兰(4)至少部分(8)具有径向呈齿状截面轮廓，包括至少两个在径向方向连续设置、且交替倾斜于径向方向的侧面(11‑14)，连续的侧面(11‑14)分别相互合并以形成拐角(15,16,17)。这种吸收结构声的装置减少在声相关频率经过转动装置部件的振动传播，与补偿联轴器装(2)相结合形成高弹性联结以阻止噪音辐射。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于吸收结构声的装置。
背景技术
发动机以及相应的传动系的运行经常被不需要的声相关频率的振动声所损坏。像钢铁这样的材料具有小的减振能力，以致经其传输的振动能量有极小的衰减。特定的发动机和变速箱的支架在固定支撑结构内可降低声的传播。然而，在从发动机到从动机构(例如船舶的螺旋桨)的传动系中，噪音也可能通过回转机构传播。
这类传动系包括用于补偿传动系回转部件之间的轴向和角向位移的补偿联轴器。例如美国专利US 7,677,980 B2公开了这类补偿联轴器。这种联轴器有由纤维增强复合材料制成的纹膜结构，为了在旋转过程中变形，纹膜结构轴向具有柔韧性。这类膜状物以及类似结构在被退出时易于辐射噪音。
发明内容
本发明旨在通过转动机械部件减少在声相关频率的振动传播。
这个技术问题如下所述的装置解决，更具体地，本发明提供了一种吸收结构声的装置，包括至少一个扭矩传递法兰，扭矩传递法兰具有由两层或者多层不同减振能力的材料相互堆叠而成，其中，法兰的至少部分具有径向齿状截面轮廓，其包括两个或者多个在径向方向连续设置、且交替倾斜于径向方向的侧面，其中，连续的侧面分别相互合并以形成拐角。
减振能力表示在大块材料内转化为热能以导致减振的机械能量，减振能力的显著变化意味着在层与层之间的边界处机械阻抗急剧变化。由于机械阻抗的大不同，大部分的振动能量在边界处被反射，而不是从一层传递到另一层。
同样地，齿状轮廓上的拐角导致在法兰内的结构声波发生反射，因此，所要的传输损耗增大。
除此之外，齿状轮廓增加了结构声波的传播路径的长度，结构声波必须通过各阶段材料的法兰，进一步提高衰减。
因此，在基本上没有影响扭转和轴向刚度的情况下，能阻碍转动部件之间的结构声的传播。
本发明的优选实施方式在下文进一步表明。
优选地，连续的侧面包括在拐角为80°至100°的角，以改善结构声波的内部反射，从而维持很高的轴向和径向刚度。
进一步地，侧面以正、负角的绝对值在60°-120°范围内交替地向径向方向上倾斜。
根据本发明的另一方面，侧面的长度不等，这样对于所有可能成对的侧面的长度比是整数倍和半整数倍的被排除。
特别地，侧面的长度可不等，这样对于所有可能成对的侧面，长度比由不同的质数限定。
这使得法兰只具有很不明显的本征模式，同时避免噪音频率横向扩大(crossamplification)。
根据本发明的另一方面，法兰包括两个外层和设置在两个外层之间的内层，所述的外层由纤维增强复合材料(FRP)制成，内层由弹性材料制成，其中，外层被内层隔离。外层彼此之间并不接触，仅仅通过弹性材料被隔离开来。声波沿着纤维增强复合材料和弹性材料之间的边界传播产生微摩擦，微摩擦阻止声波的传播。这种类型的结构声吸收的装置具有的传输损耗相当于8至10倍重量的橡胶法兰的传输损耗，因此，针对上述技术问题，提供了特别轻质的解决办法。此外，弹性材料层全方位提供了额外的减振作用。
纤维增强复合材料的厚度在径向方向上从侧面到侧面变化，例如，通过减小纤维增强复合材料纤维层数，进一步引起了声波的内反射，这样以想要的方式增加机械抗阻。
本发明的另一个优选实施方式，弹性材料层的厚度在径向方向上增加，以保持在材料中整个径向范围上基本相同的拉伸和剪切应力。
根据本发明的另一方面，两个拐角间的侧面是笔直的，或者也可稍微弯曲。侧面的曲率半径优选比法兰的外半径大。
根据本发明的另一方面，法兰具有由其外层中的一层形成的外边缘部，用于连接第一转动部件，和由其另一个外层形成的内边缘部，用于连接第二转动部件。因此，该装置在所述的两个转动部件之间作为声吸收器。进一步地，用于将法兰固定到转动部件的其他连接装置，例如金属螺栓等，可进一步引入用于通过反射以及微摩擦衰减声波的材料边界。
如果需要，两个或者多个法兰可在轴向上连续地设置。
上述用于吸收结构声的装置可用于任何类型的两个转动部件之间，用于衰减在声相关频率上经过转动部件的振动传播。
特别地，所述装置可成为系统的组件，系统进一步包括至少一个转动部件，其中，所述装置的法兰通过连接装置连接到转动部件。
优选地，转动部件可选自一组包括联轴器和扭振减振器。具体地，联轴器包括补偿联轴器，补偿联轴器用于补偿两个转动部件的旋转轴的轴向位移和/或角位移。
附图说明
图1 本发明所述的吸收结构声装置的一种实施方式的半横截面示意图。
图2 本发明图1中的吸收结构声吸收装置的一种实施方式的正视图。
图3 本发明包括吸收结构声装置的驱动系的示意图。
具体实施方式
本发明将结合说明书附图在下文中进行进一步的描述，附图中：
图1和图2的实施方式显示了一种用于吸收结构声的装置1，例如，在发动机与从动机构之间的传动系。更具体地，装配装置1以削弱在声相关频率内的振动传播，即频率在大约10至20,000Hz的范围内。
装置1包括设置在两个转动部2和3之间的扭矩传递法兰4，如图3所示，装置1可传动地连接联轴器2和传动轴3。
吸收结构声的装置1包括在径向方向上延伸的法兰4。法兰4具有多层结构，包括不同减振能力材料的至少两层5至7相互堆叠而成。外层5和7被内层6隔离，使得它们不能相互接触而且彼此完全分开。
如图1所示，具有两个外层5、7和内层6的三层结构，外层5、7由第一种材料制成，内层6由第二种材料制成。内层6的材料相较于外层5、7具有更高的减振能力以及不同的刚度，即，通过内部摩擦，具有更大吸收振动的能力，将机械能转化为热能。
特别地，内层6的材料的减振能力是外层5和7的材料的减振能力的至少2倍，更优地，大于10倍的外层5和7的材料的减振能力，由此引起相邻层之间在边界处的机械阻抗的显著变化。
优选地，外层5和7由纤维增强复合材料(FRP)制成，而内层6由粘接在外层5和7之间的弹性体制成。然而，其它材料也可予以考虑，例如外层5、7可形成金属层。
法兰4至少包括具有径向齿状的截面轮廓的部件8，换而言之，具有径向之字形或者锯齿状，以及与转动部件连接的部件9和10，在本申请，后者由与径向齿状部件8相连的外边缘部9和内边缘部10形成。更具体地，外边缘部9由其中外层7中的一层一体成型，内边缘部10由另一外层5的另一层一体成型。
径向齿状横截面轮廓包括至少两个在径向方向连续设置的侧面11至14，且交替的向法兰径向方向倾斜。如图1所示，具有两个齿的锯齿状结构。锯齿数的多少取决于法兰4的直径。
齿状的连续侧面11至14相互合并以分别形成角15至17，相邻侧面11至14在角15至17包括角度80至100°，优选地在85°至95°，最优地，约为90°。
进一步地，侧面11至14以正、负角的绝对值在60°至120°范围内交替地向径向方向上倾斜。
多层结构遍布在具有径向齿状横截面轮廓的部件8的整个径向上延伸，使得侧面11至14增加了声波在相同材料传播的路径的长度。这通过材料增加内部阻尼，同时角15至17引起声波发生内部反射。这两种效果减少了声相关振动的传播，即增加了传输损耗。
更进一步地，侧面11至14的长度不同，其中所述的长度被定义为侧面12和13的两个角之间的距离，或者为一个拐角与侧面11和14的边缘部9或10之间的距离。对于所有可能成对的侧面，整数倍长度比和半整数倍长度比被排除。例如，所有可能成对侧面，长度比是由不同的成对的质数所限定。如图1所示，仅作为一个示例，侧面11，12，13和14的长度比为2:3:5:7，即基于不同的质数。其它比也可以，例如3:5:7:11。除此之外，在比率中质数的顺序也可以改变，例如2:5:3:7，使得最内侧的侧面不必是最短，最外侧的侧面不必是最长。这样设置比率可避免明显的本征模式，同时避免声波在材料中放大。
径向齿状横截面轮廓的侧面11至14可以是笔直的，或者，它们是稍微弯曲的，且，优选地，曲率半径比法兰4的外径的半径大。
进一步地，外层5和7的侧面11至14可为不同的厚度，以使得声波进一步反射。例如，在形成内边缘部10的外层5上，外层5的厚度从侧面11到侧面14在径向向外方向减小，而在形成外边缘部9的外层7上，外层7的厚度从侧面14到侧面11在径向内径向方向减小。这种厚度的变化可通过在纤维增强复合材料中减少纤维层的数量来实现。
此外，弹性内层6的厚度在径向上增加，以保持材料中的拉伸和剪切应力基本恒定。优选地，橡胶材料的最大厚度小于纤维增强复合材料中一层的最大厚度的两倍。设置弹性内层6的一个主要目的是使外层5和7彼此隔离。虽然由于弹性内层6的自身弹性可提供一部分的轴向阻尼，但是结构声的阻尼主要是通过声波的内部反射实现的，特别是，在不同材料层边界处机械阻抗急剧变化、齿状轮廓、特别是在侧面之间的拐角、以及结合特别设计的侧面11至14长度的连续法兰的缩小厚度。
内层6的弹性材料越厚可能改善阻尼性能，但是，由于弹性材料通常比纤维增强复合材料更重，将会造成设计质量大。此外，由于机械振动的能量转化为橡胶内部的热能，由橡胶制成的吸声体易向于被加热到该橡胶开始分解的温度。
相较于补偿联轴器2的纹膜结构18，吸收结构声的装置1的法兰4在轴向上具有更强的刚度。吸收结构声的装置1还具有更高的径向扭转刚度，而且不会在转动部件2、3的旋转轴线A、B之间提供任何实质性的轴向、径向和角位移补偿。
当需要时，两个或者多个法兰4可在轴向上连续设置。法兰4之间可直接连接或者通过轴向隔离块连接。通过金属螺栓连接在用于反射声波的不同阻尼能力的材料之间进一步引入边界。此外，这些连接处的微摩擦可进一步的衰减振动的传播。几个法兰4在它们的外边缘部9和内边缘部10连续地交替连接。外边缘部9和内边缘部10的形状可不同于图1所示的形状。
所述的吸收结构声的装置1可与任何类型的旋转部件结合使用。如图3所示，它作为系统中的部件进一步包括至少一个转动部件。转动部件可选自于一类包括联轴器和扭振减振器。具体地，系统部件可被定义尺寸，以便通过外边缘部9和内边缘部10形成具有预设机械接口的模块系统。吸收结构声的装置1连接至少一个转动部件，具体地，可通过连接装置连接，譬如金属的螺栓19和螺母20。
如图3所示的实施例，补偿联轴器2作为转动部件。补偿联轴器具有可轴向弯曲的纹膜结构18，用于补偿两个转动部件的旋转轴线A，B的轴向和/或角位移，以使得所述的补偿联轴器2和上述吸收结构声的装置两者结合合得到高弹性联轴器，以阻止噪音辐射。虽然图3中未示出，但是这两个部件可共用由纤维增强复合材料制成的共用件。例如，吸收结构声的装置1的朝向联轴器2的外层7和纹膜结构18上与其相对设置的层可形成同一构件。不过，上述的吸收结构声的装置1也可与其他类型的联轴器相联合。
本发明基于特定的实施例和变型已进行详尽描述，特别的，与其他技术特征没有结合的、与之不相关的单个技术特征可以与其他单个技术特征相结合，即使没被明确的阐述，只要在技术上可行即可。因此，本发明不局限于所描述的实施方式及其描述的变型，而是涵盖由权利要求书所限定的所有实施方式。
Claims (13)
1.吸收结构声的装置包括：
至少一个扭矩传递法兰(4)，具有至少两层或多层(5,6,7)不同减振能力、刚度的材料相互堆叠形成，
其中，法兰(4)的至少部分(8)具有锯齿状截面轮廓，其包括至少两个在径向方向连续设置、且交替倾斜于径向方向的侧面(11-14)，
其中，连续的侧面(11-14)分别相互合并以形成角(15,16,17),
各对连续侧面(11-14)包括在角(15,16,17)处的80°至100°的角度，削弱结构声包括以在声相关频率10至20,000Hz的范围内的振动传播，通过在边缘部不同材料的层(5,6,7)之间机械阻抗的变化、齿状轮廓以及侧面之间的角引起的声波内部反射，使得结构声减弱，
其中，法兰(4)具有轴向刚度、径向扭转刚度，由此避免了大的轴向、径向和角位移补偿。
2.如权利要求1所述的吸收结构声的装置，其特征在于，侧面(11-14)的长度不等，这样对于所有可能成对的侧面的长度比是整数倍和半整数倍的被排除。
3.如权利要求1所述的吸收结构声的装置，其特征在于，侧面(11-14)的长度不等，这样，对于所有可能成对的侧面，长度比由不同的质数限定。
4.如权利要求1-3任一项所述的吸收结构声的装置，其特征在于，法兰(4)包括两个外层(5,7)和两个外层(5,7)之间的内层(6)，外层(5,7)由纤维增强复合材料制成，内层(6)由弹性材料制成，其中，外层(5，7)被内层(6)隔离。
5.如权利要求4所述的吸收结构声的装置，其特征在于，外层(5,7)纤维增强复合材料的厚度从一个侧面到另一个侧面在径向方向上变化。
6.如权利要求4所述的吸收结构声的装置，其特征在于，弹性材料的内层(6)的厚度在径向上增大。
7.如权利要求5所述的吸收结构声的装置，其特征在于，弹性材料的内层(6)的厚度在径向上增大。
8.如权利要求1-3任一项所述的吸收结构声的装置，其特征在于，侧面(11-14)可笔直的或者稍微弯曲。
9.如权利要求1-3任一项所述的吸收结构声的装置，其特征在于，法兰(4)具有由与第一转动部件连接的一个层形成的外边缘部(9)，和由与第二转动部件连接的另一个层形成的内边缘部(10)。
10.如权利要求1-3任一项所述的吸收结构声的装置，其特征在于，至少两个法兰(4)可在轴向上连续地设置。
11.系统，包括：
至少一个转动部件(2)，和权利要求1-10任一项所述的吸收结构声的装置(1)，
其中，吸收结构声的装置(1)的法兰(4)通过连接装置连接转动部件(2)。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，转动部件(2)选自一组包括联轴器和扭振减振器。
13.如权利要求11或12所述的系统，其特征在于，转动部件(2)为补偿联轴器，用于补偿两个转动部件的旋转轴线的轴向位移和/或角位移。
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