CN114776763A - 一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构。属于凸轮轴磨削减振领域，本发明包括主体柱壳、多个局域振子以及多个装配连接件，所述主体柱壳分为上下两个壳体，所述多个局域振子呈周期性阵列方式规则嵌入分布于主体柱壳中，所述多个装配连接件与主体柱壳连接，所述主体柱壳、多个局域振子和多个装配连接件形成共振结构。本发明通过主体柱壳、多个局域振子和多个装配连接柱件形成共振结构能实现小尺寸控制大波长的目的，突破了传统减振装置在凸轮轴轴颈上的安装约束，同时能有效控制凸轮轴磨削振动，其减振效果显著，为机械领域的减振提供了良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于凸轮轴磨削减振技术领域，具体是涉及了一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构。
背景技术
凸轮轴广泛应用于船舶工业，是船舶核心动力的关键零部件，其加工精度和表面质量对柴油机的正常工作和船舶的运行安全有着显著影响。凸轮轴因其复杂的轮廓型线导致其磨削加工性能较差，目前的加工工艺无法避免磨削过程中产生的振动，不仅容易导致凸轮轴产生表面振纹，降低加工质量，还会造成大量噪声污染危害人体健康。
传统振动控制方法主要包括主动振动控制和被动振动控制两大类，其中相关的抑振技术在一定程度上能解决机械设备的振动问题，但由于加工制造成本的提高以及目前现有安装约束的限制，使得传统抑振方法在工程应用中仍存在局限性。此外，基于传统理论的减振设计也难以对特定的区间范围内的振动频率进行控制。因此，凸轮轴的磨削振动控制已然成为一个亟待解决的问题。
声子晶体作为一种周期性复合材料，其特有的振动带隙特性使得在带隙范围内的弹性波无法传播，即其具备的弹性波禁带特性对振动能起到很好的抑制作用。随着理论研究的不断深入，弹性波带隙形成机理主要分为Bragg散射机理和局域共振形成机理。其中，Bragg型声子晶体的晶格常数达到了米量级，产生的带隙频率与结构波长量级相当，使其在低频减振上有较大的局限性，而局域共振型通过小尺寸控制大波长，突破了布拉格散射机理的限制，使得晶格常数降低了一个数量级以上，在工程实际中应用更加广泛。
针对以上技术问题，将局域共振带隙机理引入到凸轮轴磨削减振中是具有非常重要的意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了突破传统减振装置在凸轮轴上的安装约束，本发明提出一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，旨在有效控制凸轮轴磨削振动，从而实现小尺寸控制大波长的目的，为机械领域的减振设计提供新的设计思路。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构；
包括大小形状一致、整体均呈“Ω”形状的上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)；
在所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)上均开设有均布排列的圆形孔，在若干个所述的圆形孔中均安设有与之相适配的局域振子(3)；
在所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)的两端延伸有凸出的水平基板，所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)通过其两侧凸出的水平基板的上下表面贴合连接。
进一步的，任意一个所述的局域振子(3)均有内外双层胶接而成，其包括内部的内层结构(3-1)及安设在内层结构(3-1)外部的外层结构(3-2)；
所述的内层结构(3-1)为圆弧形薄片，所述的外层结构(3-2)呈圆弧状的环形结构；
所述内层结构(3-1)的半径为8mm，所述外层结构(3-2)的半径为9mm；
相邻两个局域振子(3)之间的间隔距离是20mm。
进一步的，还包括若干对装配连接件，每对所述的装配连接件均包括相适配的螺栓(4)及六角螺母(5)；
在所述水平基板的两端均开设有用于穿设螺栓(4)的螺纹孔(6)；
所述螺栓(4)的外壁、六角螺母(5)及螺纹孔(6)的内壁的直径均为4mm。
进一步的，所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)相互连接构成圆形柱壳，所述圆形柱壳的内径为56mm；
所述上主体柱壳(1)、下主体柱壳(2)及多个局域振子(3)厚度一致，均为3mm；
所述上主体柱壳(1)、下主体柱壳(2)、多个局域振子(3)及装配连接件沟通共同形成共振结构。
进一步的，所述上主体柱壳(1)与下主体柱壳(2)上开设的圆形孔的数量一致、且在所述上主体柱壳(1)、下主体柱壳(2)上安设有相同数量的局域振子(3)；
多个所述的局域振子(3)均可充满各自胶接于相应的圆形孔内。
进一步的，所述的上主体柱壳(1)与下主体柱壳(2)均由环氧树脂材料制成。
进一步的，所述的内层结构(3-1)的材质是银、铅、钨和铂中的一种；
所述的外层结构(3-2)的材质是PVC、丁晴橡胶和三元乙丙橡胶中的一种。
进一步的，所述装配连接件中的螺栓(4)与六角螺母(5)的数量均为四个，在凸出的水平基板的左右两端各开设有两个，所述的螺栓(4)与六角螺母(5)在相应的水平基板上穿过螺纹孔(6)后进行紧固连接。
进一步的，所述螺栓(4)与六角螺母(5)均采用钢材料制成。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：一、本发明对局域共振型声子晶体减振结构进行结构的优化调整，在凸轮轴自身形态结构及实际安装限制等约束条件下，突破了传统减振装置在凸轮轴轴颈上的安装限制，有效控制凸轮轴磨削振动，四个周期的局域共振带隙内的减振性能提升了31.6％，结构周期数越多，声子晶体的减振效果越明显，可适用于各种减振平台下机械结构的减振处理。二、本发明整体结构简单，在不影响凸轮轴实际磨削加工操作的同时利用小尺寸控制大波长，达到了控制振动的目的，且又可以实现对主体柱壳轴线方向的振动及周向的扭转振动这两个方向的减振，适用范围较为广泛，为机械领域的减振提供了良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1的爆炸结构示意图；
图3是本发明中局域振子的平面结构示意图；
图4是本发明实施例中安装于凸轮轴轴颈后的示意图；
图5本发明实施例中是安装减振结构前后的传输特性曲线图；
图中1是上主体柱壳，2是下主体柱壳，3是局域振子，4是螺栓，5是六角螺母，6是螺纹孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明着重对凸轮轴轴颈进行减振结构设计，以某柴油机厂所生产的凸轮轴为例，其凸轮轴轴颈直径为56mm，其余部件加工尺寸不作细列。
如图1-2所述，本发明所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，包括上主体柱壳1、下主体柱壳2、多个局域振子3及多个装配连接件，所述上主体柱壳1、下主体柱壳2、多个局域振子3和多个装配连接件形成共振结构；
所述上主体柱壳1和下主体柱壳2大小形状一致，整体均呈“Ω”形，上主体柱壳1、下主体柱壳2通过其圆形柱壳外侧凸出的水平基板的上下表面贴合连接；
多个所述的局域振子3周期均布固装在上主体柱壳1和下主体柱壳2上的圆形孔内；
上主体柱壳1和下主体柱壳2有相同数量的局域振子3；
多个所述的局域振子3的厚度与上主体柱壳1和下主体柱壳2的厚度一致；
上主体柱壳1和下主体柱壳2中圆形柱壳外侧凸出的水平基板之间均布有多个装配连接件，通过多个所述装配连接件分别将上主体柱壳1和下主体柱壳2中的水平基板连接。
进一步的，本实施方式的上主体柱壳1和下主体柱壳2上分别加工有圆形孔，且上主体柱壳1和下主体柱壳2的圆形孔数量相一致；
进一步的，本实施方式的多个所述的局域振子3与上主体柱壳1上的圆形孔的数量相一致，且多个所述局域振子3与下主体柱壳2上的圆形孔的数量也相一致。
进一步的，本实施方式所述上主体柱壳1和下主体柱壳2上的圆形孔是指主体柱壳展开的板面上布置的圆形通孔，多个所述的局域振子3可充满各自胶接于相应的圆形孔内，如此设置，连接可靠，结构稳定合理。
进一步的，结合图3说明，本实施方式中每个所述的局域振子3内外双层胶接，其内层结构3-1为圆弧形薄片，其外层结构3-2呈圆弧状的环形结构；如此设置，结构简单，设计合理。
进一步的，结合图1说明，本实施方式所述上主体柱壳1和下主体柱壳2均由环氧树脂材料制成。
进一步的，结合图2和图3说明，本实施方式中所述内层结构3-1的材质包括银、铅、钨和铂等中的一种，优选材质为钨材料；
所述外层结构3-2的材质包括PVC、丁晴橡胶和三元乙丙橡胶等中的一种，优选材质为三元乙丙橡胶材料；如此设置，减振性能最佳。
进一步的，结合图2说明，本实施方式中所述上主体柱壳1和下主体柱壳2中圆形柱壳外侧凸出的水平基板上分别加工有螺纹孔6，所述上主体柱壳1和下主体柱壳2中圆形柱壳外侧凸出的水平基板之间均匀布置的多个装配连接件为螺栓4和六角螺母5。
进一步的，本实施方式的多个所述装配连接件中的螺栓4的数量为四个，左右水平基板处各分布两个,所述六角螺母5与螺栓4数量相一致，所述的螺栓4与六角螺母5在相应水平基板上加工有螺纹孔6处进行紧固连接，如此设置，连接方便可靠，满足实际需要。
进一步的，本实施方式中所述螺栓4与六角螺母5均由钢材料制成。
进一步的，结合图2和图3说明，本实施方式的柱壳类局域共振声子晶体减振结构的各组成部分的具体尺寸为：所述上主体柱壳1和下主体柱壳2中的圆形柱壳内径为56mm，圆形柱壳内径尺寸可根据工程实际应用中其他凸轮轴型号来调整大小，上主体柱壳1、下主体柱壳2和多个所述的局域振子3的厚度均为3mm，每个局域振子3的内层结构3-1的半径为8mm，每个局域振子3的外层结构3-2的半径为9mm，每个局域振子3之间间隔20mm，所述螺栓4和六角螺母5均为国标连接件，且螺栓4的公称直径、六角螺母5的内径和螺纹孔6的直径均为4mm。
进一步的，结合图4和图5说明，本实施方式的四个周期的柱壳类局域共振声子晶体减振结构通过螺栓4与数量相一致的六角螺母5在相应水平基板上的螺纹孔6处，紧固安装于凸轮轴的一段轴颈上，并通过频响函数计算四个周期有限结构单元的传输特性曲线图，以此来验证安装减振结构前后的凸轮轴的减振性能；
其中，图5的横坐标表示的是频率f/Hz，纵坐标表示的是振动响应衰减Transmission/dB，安装减振结构前后的凸轮轴均在在带隙范围内出现了较为明显的衰减，相较于均质结构的传输损耗，衰减性能提升了31.6％，因此该结构带隙对特定振动对特定振动能产生一个显著的抑制作用。
本实施方式涉及的频响函数公式为：
其中，a1为输入端的位移幅值，a2为输出端的位移幅值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但其保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于：
包括大小形状一致、整体均呈“Ω”形状的上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)；
在所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)上均开设有均布排列的圆形孔，在若干个所述的圆形孔中均安设有与之相适配的局域振子(3)；
在所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)的两端延伸有凸出的水平基板，所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)通过其两侧凸出的水平基板的上下表面贴合连接。
2.根据权利要求1所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于；
任意一个所述的局域振子(3)均有内外双层胶接而成，其包括内部的内层结构(3-1)及安设在内层结构(3-1)外部的外层结构(3-2)；
所述的内层结构(3-1)为圆弧形薄片，所述的外层结构(3-2)呈圆弧状的环形结构；
所述内层结构(3-1)的半径为8mm，所述外层结构(3-2)的半径为9mm；
相邻两个局域振子(3)之间的间隔距离是20mm。
3.根据权利要求1所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于；
还包括若干对装配连接件，每对所述的装配连接件均包括相适配的螺栓(4)及六角螺母(5)；
在所述水平基板的两端均开设有用于穿设螺栓(4)的螺纹孔(6)。
4.根据权利要求1或3所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于；
所述上主体柱壳(1)及下主体柱壳(2)相互连接构成圆形柱壳，所述圆形柱壳的内径为56mm；
所述上主体柱壳(1)、下主体柱壳(2)及多个局域振子(3)厚度一致，均为3mm；
所述上主体柱壳(1)、下主体柱壳(2)、多个局域振子(3)及装配连接件沟通共同形成共振结构。
5.根据权利要求1所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于；
所述上主体柱壳(1)与下主体柱壳(2)上开设的圆形孔的数量一致、且在所述上主体柱壳(1)、下主体柱壳(2)上安设有相同数量的局域振子(3)；
多个所述的局域振子(3)均可充满各自胶接于相应的圆形孔内。
6.根据权利要求1所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于：
所述的上主体柱壳(1)与下主体柱壳(2)均由环氧树脂材料制成。
7.根据权利要求2所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于：
所述的内层结构(3-1)的材质是银、铅、钨和铂中的一种；
所述的外层结构(3-2)的材质是PVC、丁晴橡胶和三元乙丙橡胶中的一种。
8.根据权利要求1或3所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于：
所述装配连接件中的螺栓(4)与六角螺母(5)的数量均为四个，在凸出的水平基板的左右两端各开设有两个，所述的螺栓(4)与六角螺母(5)在相应的水平基板上穿过螺纹孔(6)后进行紧固连接。
9.根据权利要求8所述的一种柱壳类局域共振型声子晶体减振结构，其特征在于：
所述螺栓(4)与六角螺母(5)均采用钢材料制成。
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