一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴

1.本发明属于减振降噪技术领域，具体涉及一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴。


背景技术：

2.周期结构是由基本单元按一定规律重复排列而形成的结构形式，在航空航天、船舶车辆和工程建筑等领域中得到广泛应用，如周期蜂窝结构和周期格栅结构等。当振动波在周期结构中传递时，由于阻抗的周期性变化，在某一段频率范围内可以抑制波的传播，从而出现所谓带隙效应，通过合理设计带隙，可实现特定频率范围内的减振降噪。
3.传动轴系的减振和隔振方法，一是通过提高零部件的性能来减小传动件的振动，二是通过隔振技术减少传动系统振动向外传递。由于空间布置的限制，在很多实际传动系统中，隔振技术和装置的应用难度较大。
4.基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴是在不改变传动轴主体结构尺寸的情况下，在传动轴中构造周期结构，可用于各类传动轴系的减振和隔振，其减振和隔振机理就是利用周期结构的带隙效应和碳纤维复合材料阻尼性能好的特性，阻碍和减少动力部件的振动通过传动轴系向外的传递，从而达到减振降噪的目的。传统金属传动轴在轴系中的作用是传递动力和运动，基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴既完成传递动力和运动的功能，又完成减振隔振功能。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，通过在碳纤维复合材料减隔振传动轴上构造周期结构，达到传动轴系的减振隔振目的。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
6.一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：包括传动轴主体、安装在传动轴主体两端的连接法兰和若干个轴向分布在传动轴主体上的周期单元，每一个所述周期单元由若干个周期元胞组成，所述周期单元数量不少于两个，每一个所述周期单元中的周期元胞数量不少于两个，各周期单元中对应的周期元胞的材料、结构和尺寸相同。
7.所述周期元胞为抽壳式结构，一个周期单元由若干个不同的周期元胞组成，各不同的周期元胞之间直径、轴向宽度和管壁壁厚等结构与尺寸，至少有一个不相同。
8.所述周期元胞最大直径小于或等于连接法兰直径，周期元胞最小直径大于传动轴主体直径。
9.所述传动轴主体和周期单元采用同一种高模量碳纤维复合材料(如m40j或sym40等)加工而成，或采用中模量碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料等其他纤维复合材料，并且一体成型，所述碳纤维复合材料表面涂覆高阻尼材料以增强减振降噪性能。
10.所述连接法兰采用与传动轴主体同一种材料进行加工，并且与传动轴主体一体成
型，或采用其他材料(如30crmnsi等)，加工后再与传动轴主体进行连接，连接方式采用胶接连接、机械连接或混合连接。
11.所述周期元胞端面和传动轴轴线的夹角在75
°
和90
°
之间，周期元胞端面与传动轴轴线的不同夹角，会影响周期元胞的刚度，会对振动幅值衰减效果和隔振频段产生影响，基于上述影响和从成型工艺的角度考虑，周期元胞端面和传动轴轴线的夹角在75
°‑
90
°
之间。
12.所述周期单元由沿传动轴主体轴向连续的抽壳式结构形成的周期元胞组成，是复杂型腔结构件，其成型加工可采用基于水溶性芯模的模压成型等工艺完成。
13.本发明具有如下优点：
14.本发明提供的基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，与传统金属碳纤维复合材料传动轴相比，既完成传递动力和运动的功能，又完成减振隔振功能。
15.本发明选择若干个直径、轴向宽度和壁厚等尺寸不同的抽壳圆管结构沿轴向周期分布，形成周期结构，阻止特定频率弹性波传递，形成带隙效应，与一般的碳纤维复合材料传动轴相比，隔振作用频段与幅度得到显著提升，具有更好的减振效果，可以广泛用于传动轴系的减振隔振领域。
附图说明
16.图1为本发明减隔振传动轴结构示意图；
17.图2为本发明减隔振传动轴结构剖视图；
18.图3为本发明实施例减隔振仿真验证方案一结构示意图；
19.图4为本发明实施例减隔振仿真验证方案二结构示意图；
20.图5为方案一和方案二施加激励后的加速度响应曲线；
21.其中：1-传动轴主体，2-周期单元，3-连接法兰，4-周期元胞a，5-周期元胞b，6-周期元胞c，7-周期元胞d。
具体实施方式
22.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1和图2所示，基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴主体1为空心轴管结构，材料为碳纤维复合材料(如m40j或sym40等)，在其两端为连接法兰3，连接法兰与传动轴主体可为同种材料，也可以为金属材料(如30crmnsi等)；连接法兰为金属材料时，连接法兰与传动轴主体连接可采用胶接连接、机械连接或混合连接。
23.传动轴主体1和连接法兰3之间为周期单元2结构，周期单元结构为碳纤维复合材料抽壳结构，与传动轴主体一体成型。
24.周期单元的碳纤维复合材料抽壳结构可以采用水溶性材料芯模进行制造，可以以聚乙烯醇水溶液作为基体材料，以模型砂为增强材料，经过热烘干工艺制作水溶性砂芯模材料，也可以用其他一次性芯模制造工艺。芯模制造具体步骤为：模具设计、模具表面处理、芯模预成型捣实、芯模表面修补、表面密封、加热烘干、脱模等。
25.碳纤维复合材料抽壳结构制造具体步骤为：在制作好的芯模上缠绕或铺放碳纤维复合材料，再完成模压成型和固化等工艺，将制作好的抽壳结构放置到静止的常温自来水中，将芯模完全溶解，可以获得碳纤维复合材料抽壳结构。
26.传动轴主体1、连接法兰3和周期单元2也可以采用金属材料通过3d打印等工艺一体成型；
27.对本发明所述的周期结构进行算例仿真验证。图3为仿真方案一，图4为仿真方案二，材料均为t700级碳纤维复合材料，方案一和方案二总高度均为220mm，两端法兰直径为220mm，法兰高度为20mm，传动轴主体外径为120mm，壁厚为5mm。方案二整体结构为周期结构，采用抽壳设计，抽壳厚度为5mm，与方案一壁厚保持一致；周期元胞c6外径为200mm，高度为20mm；周期元胞d 7外径为160mm，高度为20mm。在法兰上端加周期加速度激励，测量下端加速度变化。分别施加频率为2πhz的加速度激励，得到方案一和方案二的响应曲线如图5所示，说明周期结构具有明显的减振效果。
28.本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。


技术特征：
1.一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：包括传动轴主体、安装在传动轴主体两端的连接法兰和若干个轴向分布在传动轴主体上的周期单元，每一个所述周期单元由若干个周期元胞组成，所述周期单元数量不少于两个，每一个所述周期单元中的周期元胞数量不少于两个，各周期单元中对应的周期元胞的材料、结构和尺寸相同。2.如权利要求1所述的一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：所述周期元胞为抽壳式结构，一个周期单元由若干个不同的周期元胞组成，各不同的周期元胞之间直径、轴向宽度和管壁壁厚结构与尺寸，至少有一个不相同。3.如权利要求1所述的一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：所述周期元胞最大直径小于或等于连接法兰直径，周期元胞最小直径大于传动轴主体直径。4.如权利要求1所述的一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：所述传动轴主体和周期单元采用同一种高模量碳纤维复合材料、中模量碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料加工而成，并且一体成型，所述复合材料表面涂覆高阻尼材料以增强减振降噪性能。5.如权利要求1所述的一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：所述连接法兰采用与传动轴主体同一种材料进行加工，并且与传动轴主体一体成型，或采用金属材料加工而成，加工后再与传动轴主体进行连接，连接方式采用胶接连接、机械连接或混合连接。6.如权利要求1所述的一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：所述周期元胞端面和传动轴轴线的夹角在75
°
和90
°
之间。7.如权利要求1所述的一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，其特征在于：所述周期单元为复杂型腔结构件，其成型加工采用基于水溶性芯模的模压成型工艺完成。

技术总结
本发明提供一种基于周期结构的碳纤维复合材料减隔振传动轴，包括传动轴主体、安装在传动轴主体两端的连接法兰和若干个轴向分布在传动轴主体上的周期单元，每一个所述周期单元由若干个周期元胞组成，所述周期单元数量不少于两个，每一个所述周期单元中的周期元胞数量不少于两个，各周期单元中对应的周期元胞的材料、结构和尺寸相同。本发明选择若干个直径、轴向宽度和壁厚等尺寸不同的抽壳圆管结构沿轴向周期分布，形成周期结构，阻止特定频率弹性波传递，形成带隙效应，与一般的碳纤维复合材料传动轴相比，隔振作用频段与幅度得到显著提升，具有更好的减振效果，可以广泛用于传动轴系的减振隔振领域。轴系的减振隔振领域。轴系的减振隔振领域。


技术研发人员：张锦光
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/6/4