CN211175200U

CN211175200U - 一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构

Info

Publication number: CN211175200U
Application number: CN201920937153.7U
Authority: CN
Inventors: 赵丹丹; 丁渭平; 黄海波; 官锌强; 毛楠杰; 杨明亮; 吴昱东; 王守建
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2029-06-20

Abstract

本实用新型涉及振动控制工程与材料工程交叉领域，具体涉及一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，用以解决现有技术中的轴系和管系的减振效果不好等问题，其包括基体轴和数个减振外套筒，所述减振器外套筒包括套筒壳，所述套筒壳为空心且其横截面为环形，所述套筒壳环形空间的内侧与外侧之间设有周期性排列的减振结构单元。本实用新型具有周期性排列的减振结构单元的超材料减振结构可以形成较宽的低频带隙，能降低扭转振动、径向振动、轴向振动能量，动平衡性好，结构简单轻便，应用范围广泛。

Description

一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构

技术领域

本实用新型涉及振动控制工程与材料工程交叉领域的一种超材料减振结构，特别是一种具有周期性排列的减振结构单元用于轴系、管系的声学超材料减振结构。

背景技术

在汽车工程领域，汽车传动轴是传动系统的核心零部件，在车辆行使的过程中起传递扭矩和转速的重要作用，同时，传动轴的振动也是引起车内噪声与振动的重要激励源之一，传动轴的振动表现形式通常有弯曲振动、纵向振动以及扭转振动，并且还包括各个振动之间的耦合振动，因此研究传动轴的振动，并研制出对传动轴进行减振的声学超材料结构，对提高车辆的驾驶舒适性、平顺性和可靠性能有非常重要的意义。

汽车传动轴的减振一方面需要严格匹配设计离合器、变速箱等零部件的质量、刚度、阻尼等参数来对其固有频率进行调教；另一方面在不修改和更换零部件的条件下，用动力吸振器等方式进行减振降噪。在已发表的论文和专利中，华南理工大学程力在其学位论文“汽车传动轴扭转减振器设计及应用”中利用扭转减振器解决了由发动机激励引起的传动系共振问题，使车内噪声降低了 8-12dB，但是这种扭转减振器的只能对扭转振动进行减振，无法解决径向、轴向振动问题，并且此种减振器同样面临成本高，制造工艺复杂，调试难度大的问题。在泛亚汽车技术有限公司发表的专利“传动轴减振圈及传动轴组件(CN204099471U)”中，提供了一种由多层橡胶及轴向支撑作用的橡胶条组成的传动轴减振圈，可对不同直径的传动轴进行减振。

在化工领域，管道作为运输气液的重要部件，常常因为管道上分布大量的阀门、弯头，压缩机的压力脉动等，非常容易产生气流激荡，使管道发生径向、轴向、扭转等振动，因此彻底解决管系振动问题，防止因管道振动引发的事故的发生具有重要意义。

压缩机管道减振方案通常有增加支撑对管道进行固定，调整管系的固有特性，使其固有频率避开激振频率；增设缓冲器、设置孔板、滤波器等。虽然这些方案对抑制管道的振动有一定的作用，但是成本较高，且很难彻底解决管线振动。在管系减振方向已发表的论文中，北京化工大学机电工程学院的唐沸涛在其论文“离心和往复压缩机管系振动及阻尼减振技术研究”中通过加装粘滞型阻尼器来降低管线振动，这种阻尼器将管系的振动能量转化为阻尼器的液态粘滞型阻尼热能耗散掉，虽然具有较好的减振效果，但是这种阻尼器需要以水泥地基作固定支撑作用，使得这种阻尼器的安装条件受到了较大的限制。

综上所述，对于管系、轴系的减振已有一些较好的研究基础，但是减振效果仍然不太理想，本实用新型中声学超材料的研究为管系、轴系的减振问题提供了一个新的思路，很好的弥补了现有技术中人工周期结构存在带隙特性，带隙的频率范围内弹性波的传播能被有效的限制，将人工周期性结构运用到工程结构上，实现特定频率、特定位置、特定方向上的振动控制。

发明内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种通过周期性排列的减振结构单元对轴系、管系进行有效减振的声学超材料减振结构

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，包括基体轴1和数个减振外套筒2。

作为本实用新型的优选方案，所述减振外套筒2包括套筒壳5，所述套筒壳 5为空心且其横截面为环形。

作为本实用新型的优选方案，为了更好的对轴系和关系进行减振，在所述套筒壳5环形空间的内侧与外侧之间设有周期性排列的减振结构单元。

作为本实用新型的优选方案，所述套筒壳环形空间的内部设置有的减振结构单元为五层，第一层为均匀分布的15个小号弹性单元，第二层为均匀分布且呈交替排列的15个中号弹性单元与15个小号矩形质量单元，第三层为均匀分布的15个小号弹性单元，第四层为均匀分布且呈交替排列的15个大号弹性单元与15个大号矩形质量单元，第五层为均匀分布的15个小号弹性单元；其中，小号的单元直径为：4mm，中号单元直径为：5mm，大号单元直径为：6mm。弹性单元与矩形单元的尺寸由需要减振的频率决定。假设将系统简化，并设需要减振的频率为f,弹性单元刚度为k,质量单元质量为m,则

作为本实用新型的优选方案，所述质量单元和弹性单元的尺寸均不同。本实用新型结构基于局域共振原理，可将结构中的每对弹性单元和质量单元简化成由质量和弹簧组成的振动系统，质量单元与弹性单元尺寸不同就可以产生不同谐振频率，因此可以对多个频率点进行减振。弹性单元材料丁腈橡胶，丁腈材料的耐油、耐磨、抗撕裂性能好，可长期在120℃以下的温度使用。质量单元为常见金属材料。。

作为本实用新型的优选方案，所述弹性单元刚度与质量单元重量不同，弹性单元和质量单元之间使用热粘合剂，并进行高温硫化粘合在一起。由于本实用新型的减振结构在旋转时，内侧与外侧的线速度不同，因此弹性单元刚度与质量单元重量也不同。

作为本实用新型的优选方案，所述基体轴1为钢材，所述减振外套筒2为工程塑料合金(PC+ABS)。

作为本实用新型的优选方案，所述基体轴1为带花键的轴或圆柱体轴；所述基体轴1为花键，所述基体轴1与减振外套筒2进行啮合，所述套筒壳与花键之间配合处的材料为金属；所述基体轴为圆柱轴，所述套筒壳与圆柱轴配合，所述套筒壳内设有均匀分布的橡胶支撑条。基体轴1可根据实际应用进行改变，若本实用新型应用于管系或传动轴时，将基体轴1结构换为空心，若应用场和需要实心轴，则可以将基体轴1换成实心结构，此外，若直接应用本实用新型结构到已有的待减振管系或轴系时，可去掉本实用新型结构的基体轴，应用合适尺寸的减振外套筒基体轴2。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.由于局域共振型人工周期性结构具有低频共振特性，因此本实用新型中不同弹性单元与质量单元组合，因此产生的共振带隙不同，最终能形成较宽的低频带隙。

2.弹性单元与质量单元径向与轴向排列，能降低扭转振动、径向振动、轴向振动能量，可以进行多方向减振。

3.本实用新型结构的减振套筒内部的质量单元与弹性单元均匀分布，对于高速旋转的轴系结构来说，不会产生严重的动不平衡问题，动平衡性好。

4.本实用新型结构无需固定元件、也不需要以地面作为支撑，直接套在轴系或管系上，安装简单，可应用于多个领域的减振，整体结构简单、适用性强、应用领域广。

5.本实用新型结构的减振套筒材料为且是空心结构，套筒内部的弹性单元为橡胶材质，整体质量较轻便。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是带花键基体轴示意图；

图3是圆柱体型基体轴示意图；

图4是减振外套筒示意图；

图5是减振外套筒壳示意图；

图6是减振效果图。

图中1-花键基体轴，2-减振外套筒，3-圆柱体型基体轴，4-橡胶支撑条 (花键)，5-减振外套筒壳，6-小号弹性单元，7-中号弹性单元，8-小号矩形质量单元，9-大号弹性单元，10-大号质量单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

作为本实用新型的优选方案，所述套筒壳5环形空间的内部设置有的减振结构单元为五层，第一层为均匀分布的15个小号弹性单元6，第二层为均匀分布且呈交替排列的15个中号弹性单元7与15个小号矩形质量单元8，第三层为均匀分布的15个小号弹性单元6，第四层为均匀分布且呈交替排列的15个大号弹性单元10与15个大号矩形质量单元9，第五层为均匀分布的15个小号弹性单元6；其中，小号的单元直径为：4mm，中号单元直径为：5mm，大号单元直径为：6mm。弹性单元与矩形单元的尺寸由需要减振的频率决定。假设将系统简化，并设需要减振的频率为f,弹性单元刚度为k,质量单元质量为m,则

实施例2

作为本实用新型的优选方案，所述套筒壳5环形空间的内部设置有的减振结构单元为五层，第一层为均匀分布的15个小号弹性单元6，第二层为均匀分布且呈交替排列的15个中号弹性单元7与15个小号矩形质量单元8，第三层为均匀分布的15个小号弹性单元6，第四层为均匀分布且呈交替排列的15个大号弹性单元10与15个大号矩形质量单元9，第五层为均匀分布的15个小号弹性单元6。其中，小号的单元直径为：4mm，中号单元直径为：5mm，大号单元直径为：6mm。弹性单元与矩形单元的尺寸由需要减振的频率决定。假设将系统简化，并设需要减振的频率为f,弹性单元刚度为k,质量单元质量为m,则

作为本实用新型的优选方案，所述质量单元和弹性单元的尺寸均不同。本实用新型结构基于局域共振原理，可将结构中的每对弹性单元和质量单元简化成由质量和弹簧组成的振动系统，质量单元与弹性单元尺寸不同就可以产生不同谐振频率，因此可以对多个频点进行减振。

实施例3

作为本实用新型的优选方案，所述基体轴1为带花键的轴或圆柱体轴；所述基体轴1为花键，基体轴1与减振外套筒2进行啮合，所述套筒壳与花键之间配合处的材料为金属；所述基体轴为圆柱轴，所述套筒壳与圆柱轴配合，所述套筒壳内设有均匀分布的橡胶支撑条。基体轴1可根据实际应用进行改变，若本实用新型应用于管系或传动轴时，将基体轴1结构换为空心，若应用场和需要实心轴，则可以将基体轴1换成实心结构，此外，若直接应用本实用新型结构到已有的待减振管系或轴系时，可去掉本实用新型结构的基体轴，应用合适尺寸的减振外套筒基体轴2。

实施例4

当基体轴为花键，使用花键轴与减振外套筒配合时，如附图1，花键基体轴“1”中间部分直径为30mm,长度为150mm,材料为钢材，减振外套筒“2”最外层直径为80mm,材料为工程塑料合金(PC+ABS)，套筒内部弹性单元“6”，“7”，“10”直径依次4mm，5mm，6mm,材料为丁腈橡胶，质量单元“8”，“9”的尺寸依次为6mm*4mm*3mm，8mm*4.2mm*3mm，材料为铁。当花键轴旋转时，带动减振外套筒旋转，花键轴产生径向振动时，与之连接的减振外套筒发生共振，套筒内的单个弹性单元与质量单元组成质量弹簧系统，多个这样的微系统产生振动，耗散振动的能量，从而保证花键轴的正常工作。

如图6所示，当某轴结构在840Hz出有一个振动峰值时，增加采用本实用新型结构中的外套筒减振减振，可降低振动幅值，达到减振效果。

实际应用中，可根据工程需要，对减振外套筒内的质量单元与弹性单元的集合尺寸、数量进行设计。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，其特征在于：包括基体轴(1)和数个减振外套筒(2)；所述基体轴(1)为钢材，所述减振外套筒(2)为工程塑料合金(PC+ABS)。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，其特征在于：所述减振外套筒(2)包括套筒壳(5)，所述套筒壳(5)为空心且其横截面为环形。

3.根据权利要求2所述的一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，其特征在于：所述套筒壳(5)环形空间的内侧与外侧之间设有周期性排列的减振结构单元。

4.根据权利要求3所述的一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，其特征在于：所述套筒壳(5)环形空间的内部设置有的减振结构单元为五层，第一层为均匀分布的15个小号弹性单元(6)，第二层为均匀分布且呈交替排列的15个中号弹性单元(7)与15个小号矩形质量单元(8)，第三层为均匀分布的15个小号弹性单元(6)，第四层为均匀分布且呈交替排列的15个大号弹性单元(10)与15个大号矩形质量单元(9)，第五层为均匀分布的15个小号弹性单元(6)，所述小号的单元直径为：4mm，中号单元直径为：5mm，大号单元直径为：6mm；所述质量单元和弹性单元的尺寸均不同；所述弹性单元刚度与质量单元重量不同，弹性单元和质量单元之间使用热粘合剂，并进行高温硫化粘合在一起。

5.根据权利要求4所述的一种用于轴系、管系的声学超材料减振结构，其特征在于：所述基体轴(1)为带花键的轴与之配套的减振外套筒(2)，所述基体轴(1)与减振外套筒(2)进行啮合，所述套筒壳(5)与花键之间配合处的材料为金属；或所述基体轴为圆柱轴，所述套筒壳与圆柱轴配合，所述套筒壳内设有均匀分布的橡胶支撑条。