钢和高聚物复合材料夹层结构滚动轴承的减振降噪设计.pdf

第 15 卷 第 2 期 复 　 合 　 材 　 料 　 学 　 报 V o l. 15　N o. 2 1998 年　 5 月 A CTA M A T ER IA E COM PO S ITA E S IN ICA M ay　 1998 钢和高聚物复合材料夹层结构滚动 轴承的减振降噪设计 刘宏增　　张　恒 　　张志民　　宋建军 (北京航空航天大学五系, 北京 100083) ( 洛阳工学院复合材料研究所, 河南 47 1039) ( 洛阳钢厂, 河南 47 1023) 摘　要　结合滚动轴承的振动特性, 根据高聚物复合材料的应变应力迟滞响应, 对钢和高聚物复 合材料夹层结构进行了减振降噪分析, 文中还给出了振动测试的结果, 从而进一步证实了这种结 构具有较强的减振降噪能力, 为在工程中的设计应用提供了理论依据。国内外文献中未见以钢和 高聚物夹层结构作滚动轴承外圈的报道。 关键词　复合材料, 夹层结构, 滚动轴承, 减振降噪 中图分类号　TB 332, TH 133. 33 　　尽可能地减小结构的振动, 降低噪音强度是工程设计的重要课题之一。在工程实践中人们 认识到提高结构的动刚度是减小结构振动的有效途径, 而改善结构的内部阻尼特性则是提高 动刚度的重要手段。 　　在振动过程中, 阻尼可以消耗振动的能量, 使瞬态振动迅速衰减, 避免自激振动的产生, 特 别能降低受迫振动共振区的振动。在系统中增 加阻尼的方法很多, 本文中采用了以钢材为表 层面板、以高聚物复合材料为芯层的夹层结构 作为滚珠轴承的外圈来增加阻尼。有关结构设 计的详细情况请参见文献[ 1]。在结构产生振动 时, 由于两金属层的约束, 加在中间的高聚物复 合材料产生较大的剪切变形和拉压变形; 通过 分子间的相互摩擦, 耗散能量, 因而产生较高的 阻尼, 从而达到减振降噪的作用。图1为滚动轴 承外圈的减振结构示意图。 . . 图1　滚动轴承外圈的减振结构示意图 Ch r isten sen R M 介绍了确定表征高聚物复合材料阻尼水平的复 F ig. 1　Sch em at ic draw ing fo r th e ou ter r ing dam p ing st ru ctu re o f a ro lling b ear ing [2 ] 剪切模量的稳态谐振法 , Go t tenb erg W . G. 和Ch r isten sen R. M . 报道了利用这种方法测得的有关高聚物复合材料复剪切模量等实验数 [3 ] 据 , 这些实验结果为本文提供了初始的设计依据。 　　收修改稿、初稿 日期: 1997—03—04, 1997—0 1—20。本文系机电部科研项 目“混杂复合材料滚动轴承”的部分工作 第　2　期 刘宏增等: 钢和高聚物复合材料夹层结构滚动轴承的减振降噪设计 99 1　滚动轴承的振动噪声特性 　　滚动轴承中最基本的振动是滚动体的通过振动。受径向载荷作用的滚动轴承转动时, 各滚 动体的状态将随其位置而变。例如, 当滚动体位于径向横载F r 方向的正下方时, 此滚动体及轴 ( ) 承圈 包括内圈和外圈 的弹性变形为最大。当滚动体在载荷方向的对称位置时轴承的弹性变 形将减小。可见, 轴回转时, 滚动体通过径向载荷方向的位置, 使轴的中心上下移动, 即产生周 期性的振动。 2　复合材料的减振原理分析 　　聚合物基复合材料是粘弹性材料, 它具有内部摩擦的阻尼特性, 即存在应变滞后于应力的 现象。