阅读说明：本技术 一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构 (Self-adaptive order tracking vibration reduction metamaterial shaft structure ) 是由 任霞光 吴昱东 丁渭平 杨明亮 崔展豪 于 2021-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构,包括轴基体、壳体和晶胞单元,晶胞单元包括定刚度弹簧、质量块和变刚度弹簧,质量块通过定刚度弹簧分别与轴基体和壳体相连,相邻质量块之间通过变刚度弹簧相连。质量块的数量为八个且呈环状分布在轴基体四周,定刚度弹簧的数量为十六个,变刚度弹簧的数量为八个。本发明所提供的一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构具有低频隔振能力,沿轴结构周向设计不同厚度的质量块,产生多个不同的带隙,组合形成较宽的低频带隙。能够实现自适应阶次跟踪,随着转速的改变,形成的低频禁带也会跟着变化,减振降噪效果更好。(The invention discloses a self-adaptive order tracking vibration reduction metamaterial shaft structure which comprises a shaft base body, a shell and a unit cell unit, wherein the unit cell unit comprises a fixed stiffness spring, mass blocks and a variable stiffness spring, the mass blocks are respectively connected with the shaft base body and the shell through the fixed stiffness spring, and adjacent mass blocks are connected through the variable stiffness spring. The number of the mass blocks is eight, the mass blocks are annularly distributed around the shaft base body, the number of the constant stiffness springs is sixteen, and the number of the variable stiffness springs is eight. The self-adaptive order tracking vibration reduction metamaterial shaft structure provided by the invention has low-frequency vibration isolation capability, the mass blocks with different thicknesses are designed along the circumferential direction of the shaft structure, a plurality of different band gaps are generated, and a wider low-frequency band gap is formed by combination. The self-adaptive order tracking can be realized, the formed low-frequency forbidden band can be changed along with the change of the rotating speed, and the vibration and noise reduction effect is better.)

一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构

技术领域

本发明属于振动噪声控制和功能复合材料的交叉技术领域，具体涉及一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构。

背景技术

对于旋转机械的NVH性能而言，如发动机曲轴、传动轴等旋转部件的扭转振动问题一直备受关注。扭振会引起相应的NVH与疲劳问题，比如，汽车的扭振会引起一些啮合齿轮的齿与齿面疲劳、弹性联轴器等疲劳，引起方向盘、座椅、踏板振动，从而引起振动舒适性问题。扭振还会引起相应的噪声问题，如发动机起停噪声、驱动轴共振引起车内噪声、变速器齿轮啮合噪声等。扭振除了引起NVH和疲劳问题之外，还会降低产品的性能，如降低汽车的燃油经济性等其他方面的问题。因此，对于旋转结构而言，隔绝或减小扭转振动具有重要意义。

通过增设传统扭转减振器，控制减振器的固有频率和传动轴的共振频率相匹配，可以一定程度解决或减少旋转结构振动噪声的问题。目前国内市场上使用较多的为定频扭转减振器，即减振器设计完成之后其所能阻隔的扭转振动的频率就确定了，无法更改。但在实际情况中，旋转部件的振动频率会沿阶次线随转速的变化而变化，因此要达到更好的振动隔离效果需要一种能够跟踪阶次的轴结构。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种能实现一定频率范围内的阶次跟踪，减振效果好的自适应阶次跟踪减振超材料轴结构。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构，包括轴基体、壳体和晶胞单元，晶胞单元包括定刚度弹簧、质量块和变刚度弹簧，质量块通过定刚度弹簧分别与轴基体和壳体相连，相邻质量块之间通过变刚度弹簧相连。

优选地，所述质量块的数量为八个且呈环状分布在轴基体四周，定刚度弹簧的数量为十六个，变刚度弹簧的数量为八个。

优选地，所述轴基体和壳体均由金属材料制成。

优选地，所述质量块由钢制成。

优选地，所述定刚度弹簧和变刚度弹簧均由合金弹簧钢制成。

优选地，所述定刚度弹簧的两端设有定刚度弹簧挂钩，变刚度弹簧的两端设有变刚度弹簧挂钩，轴基体上设有轴基体孔，壳体上设有壳体孔，质量块上设有质量块孔；轴基体孔内穿设有定刚度弹簧挂钩，壳体孔内穿设有定刚度弹簧挂钩，质量块孔内穿设有定刚度弹簧挂钩和变刚度弹簧挂钩。

优选地，所述轴基体为套管状结构，可通过配合固定于目标件上，且轴的内径和外径都可以根据实际使用场景进行设计。

优选地，所述以轴基体为中心对称布置的两个质量块构成一个质量块组，质量块的形状为长方体、正方体或者扇形体。

优选地，所述质量块组中的质量块的厚度相同，进而保证动平衡。

优选地，所述每组质量块的厚度不同，以拓宽带隙。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构具有低频隔振能力，沿轴结构周向设计不同厚度的质量块，产生多个不同的带隙，组合形成较宽的低频带隙。

2、本发明能够实现自适应阶次跟踪，随着转速的改变，旋转部件扭转振动频率会发生变化。同时在离心力作用下超材料轴结构的刚度会发生变化，形成的低频禁带也会跟着变化，从而在不同转速下都能很好地隔离扭转振动，减振降噪效果更好。

3、本发明的弹簧和质量块沿周向均匀分布，对于高速旋转的轴结构来说，不会产生严重的动不平衡问题，动平衡性好。

4、本发明的结构占用空间小，而且轴基体的内径和外径都可以根据实际使用场景进行设计，且易于安装，适用范围广，可用于汽车、列车、船舰、飞机等设备中低频扭转振动与低频噪声的降低、隔离及控制。

附图说明

图1是本发明一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构的整体结构示意图。

图2是本发明的整体结构的半剖示意图。

图3是本发明的整体结构侧视图。

图4是中速转动状态下图3中B-B剖面结构示意图。

图5是高速转动状态下图3中B-B剖面结构示意图。

图6是低速转动状态下图3中B-B剖面结构示意图。

附图标记说明：1、轴基体；2、壳体；3、定刚度弹簧；4、质量块；5、变刚度弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图6所示，本发明提供的一种自适应阶次跟踪减振超材料轴结构，包括轴基体1、壳体2和晶胞单元，晶胞单元包括定刚度弹簧3、质量块4和变刚度弹簧5，质量块4通过定刚度弹簧3分别与轴基体1和壳体2相连，相邻质量块4之间通过变刚度弹簧5相连。

在本实施例中，质量块4的数量为八个且呈环状分布在轴基体1四周，定刚度弹簧3的数量为十六个，变刚度弹簧5的数量为八个。在实际使用过程中，根据使用需求可对质量块4的数量进行增加和减少，定刚度弹簧3和变刚度弹簧5的数量也对应的进行增加和减少。质量块4沿轴基体1的轴结构周向，均匀分布。

轴基体1位于壳体2内，轴基体1与壳体2之间组成环形空间，质量块4分布在环形空间内。轴基体1内部穿设有旋转部件，旋转部件为现有成熟技术设备，能够进行旋转。旋转部件转动时带动轴基体1转动。

在本实施例中，轴基体1为套管，可通过配合固定于目标件上，且轴的内径和外径都可以根据实际使用场景进行设计。轴基体1和壳体2均由金属材料制成，质量块4由钢制成。定刚度弹簧3和变刚度弹簧5均由合金弹簧钢制成。

定刚度弹簧3的两端设有定刚度弹簧挂钩，变刚度弹簧5的两端设有变刚度弹簧挂钩，轴基体1上设有轴基体孔，壳体2上设有壳体孔，质量块4上设有质量块孔；轴基体孔内穿设有定刚度弹簧挂钩，壳体孔内穿设有定刚度弹簧挂钩，质量块孔内穿设有定刚度弹簧挂钩和变刚度弹簧挂钩。通过定刚度弹簧挂钩和变刚度弹簧挂钩与轴基体孔、壳体孔和质量块孔相连的方式能够使的轴基体1、壳体2、定刚度弹簧3、质量块4和变刚度弹簧5在使用过程中连接牢固，不发生脱落等现象。

轴基体1为套管状结构，可通过配合固定于目标件上，且轴的内径和外径都可以根据实际使用场景进行设计。

以轴基体1为中心对称布置的两个质量块4构成一个质量块组，质量块4的形状为长方体、正方体或者扇形体。

在本实施例中，质量块组中的质量块4的厚度相同，进而保证动平衡。在实际使用的时候，每组质量块4的厚度也可以不同，以拓宽带隙。可以根据不同的使用需求对质量块4的厚度进行有针对性的更改，以便能够更好地满足使用需求，增加本发明的实用性。

如图5和图6所示，相邻质量块4之间通过变刚度弹簧5串联连接，外部现有的旋转部件带动轴基体1转动，当旋转部件的转速变化时，在离心力的作用下，质量块4会沿着径向移动，质量块4和轴基体1之间的距离会变化，变刚度弹簧5被拉长或被压缩，弹簧刚度随之变化，所以整个系统的刚度就会改变，整个系统对应的带隙也会移动。

旋转部件的转速为ω，在该转速下离心力与弹簧力相等，则有公式mrω²＝2K₁Δx_r，式中m为质量块的质量，r为质量块到转动中心的距离，k₁为定刚度弹簧的刚度，Δx_r为质量块在径向的位移。根据此公式，通过设计定刚度弹簧的刚度k₁，得到一定转速ω下的弹簧径向位移Δx_r。

变刚度弹簧刚度和弹簧伸长量之间的关系可以根据工程实际进行设计，设该关系为k₂＝f(Δx_t)，式中Δx_t为变刚度弹簧的伸长量，k₂为变刚度弹簧在伸长量为Δx_t时对应的刚度。质量块沿径向移动导致变刚度弹簧拉伸或压缩，每个质量块之间相对于轴心的角度为45°，则Δx_t与Δx_r有如下关系：2Δx_rsin22.5°＝Δx_t。

综合以上两个公式可得：即建立了旋转部件转速、定刚度弹簧刚度和变刚度弹簧刚度之间的关系。再根据变刚度弹簧的刚度k₂，计算得到整个系统的禁带，设计系统参数可得到期望的禁带。

当转速变化时，对每一个转速重复上述过程，则可以得到每个转速下所期望的禁带，达到在不同转速下都能很好地隔离扭转振动的效果，从而实现阶次跟踪。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。