低形状係数エラストマーの活用

低形状係数エラストマーの活用

粘弾性ポリマーやエラストマーは、その高い減衰特性から、振動制御用途に広く使用されています。 また、エラストマーは特定の形状に成形することで、低周波の振動を効果的に遮断することができる。 形状係数は、与えられたエラストマー形状の絶縁性能を定量化するために使用される専門用語である。 つまり、形状係数が低いほど、潜在的な共振周波数が低くなるということである。 共振周波数が低いと、一般的に広い帯域幅の防振が可能になります。 これは、共振周波数以上の振動周波数を分離するためである。

 

一般的な形状の場合、形状係数は一般的に次のように定義されます。

形状係数=。
平均負荷表面積
表面積の膨張

平均荷重表面積は、荷重を支える上下の表面積の平均値です。 バルジング表面積とは、荷重に対して垂直方向に自由に膨らむ表面積のことです。

 

エラストマーは、ある形状係数を下回ると、材料の高さや幅が大きくなり、安定性が損なわれることがある。 エラストマーメーカーによっては、座屈を防ぐために形状係数を0.3以上にすることを推奨しています。

 

エラストマーを設計する際に ViscoRing™フッターに使用されるエラストマーは
Carbide Base
フッターに使用するエラストマーを設計する際、形状係数は0.17を予定していました。 これは、共振周波数を十分に低くして、最も低い可聴周波数を効果的に分離するために選択されたものです。

安定性の向上

ViscoRing™垂直方向に荷重を支え、座屈を回避する能力を検証する実験が行われました。 実験は、徐々に質量を加えていき、材料の垂直方向の変形を測定するというものである。 室温環境下で、MediumViscoRing™上に1.13kg(2.5ポンド)刻みで重りを取り付けました。 垂直方向の変形距離は、図のような応力-歪み曲線の形でプロットされた。 Y軸は応力、つまり加えられた質量の大きさを表し、X軸は質量を加えることによって生じるひずみ、つまり垂直方向の変形を表しています。

赤色の曲線は、ハウジングを使用しないViscoRing™単体を示しています。 最初に質量を加えた直後から、荷重によって材料が座屈し、大きく変形し始めたことがわかる。 この素材は、形状係数が非常に低いため、小さな質量でも支えることができないのは予想通りでした。

 

ViscoRing™安定性を向上させるために、フッターの上部にハウジングを設計しました。 Carbide Baseフッターの上部に設置しました。 ViscoRing™外周には、座屈を防ぐために、間隔をあけてリッジを追加しました。 稜線は間隔をあけて配置されているので、稜線間の表面積は自由に膨らみ、低形状因子の利点を維持することができる。

 

ViscoRing™外側に膨らむにつれて、膨らんだ表面積のうち傾斜した稜線に接触する割合が徐々に大きくなっていきます。 このように、質量が大きくなるにつれて形状係数が大きくなることで、より広い範囲の負荷質量で共振周波数が安定することがわかった。 フッターの免震性能は Carbide Baseフッターは支持質量が変わっても、より一定になりました。

 

青い曲線は、同じViscoRing™フッターの上部のハウジングに配置したものです。 Carbide Baseフッターの上部に配置したものです。 応力や質量を加えると、ひずみや垂直方向の変形が比較的直線的に増加することが観察された。 素材が意図したとおりに座屈しないのだ。

 

エラストマーは、圧縮して体積を小さくすることができない。 そのため、エラストマーは負荷をかけて変形させるために、外側に膨らませる必要がある。 ViscoRing™選択的にブレーキをかけた場合、材料がさらに膨らむのを防いだ場合に起こるような、傾斜や剛性の急激な増加は見られませんでした。 低い共振周波数を得るためには、低い剛性またはバネレートが必要であるため、これは重要なことである。

水平方向のアイソレーションを向上させる

垂直方向のアイソレーションに低形状係数のエラストマーを使用することに成功した後、水平方向のアイソレーションにも同様の効果が期待された。 水平方向に配向した低形状係数エラストマーとボールベアリングを採用し、水平方向のアイソレーション性能をさらに向上させた。

 

ボールベアリングを利用した水平方向のアイソレーションはよく知られた概念である。 多くの設計では、湾曲したベアリングレースの間にボールベアリングを介在させます。 他の設計では、ベアリングの表面が湾曲しているため、ベアリングの中心がずれることはありません。 また、アッパーレースとロアレースが水平方向に相対的に移動することで、振動の伝達経路を転換させることができる。 この伝送路の回避により、水平方向のアイソレーションが実現される[1]

 

フッターの下部の設計に工夫が凝らされた。 Carbide Baseフッター下部は、曲面ではなく平面でベアリングが転がる設計になっていた。 水平に配置されたエラストマーは、振動に対して高い減衰性を持つバネのような役割を果たし、デバイスの中心を保つ。 変形や転がり抵抗を最小限に抑えるため、軸受にはジルコニウム、ベアリングレースには研磨された硬質バネ鋼が選ばれた。 水平方向のアイソレーションは、従来の設計よりも高いレベルのダンピングを実現しました。

振動試験

水平方向のアイソレーションを測定する

また、水平方向の遮蔽性能の向上を確認するために、別の実験も行いました。 この実験の目的は、ボールベアリングと水平配向エラストマーを追加することで得られる水平方向のアイソレーション効果を定量的に評価することでした。

 

実験に必要な振動を発生させるために、電磁振動台を使用した。 テーブルは、タッチパネルとVFD(可変周波数ドライブ)に接続されたダイヤルによってデジタル制御されています。 これらを使って、テーブル面の振動の振幅と周波数を精密に変調させた。

 

4つの Carbide BaseMediumViscoRings™取り付けたフッターを振動台の上に置きました。 そして、フッターの上に総質量約45kg(100ポンド)の重り付きアルミニウム板をボルトで固定した。 振動の測定には、Measurement Specialties社の加速度センサー「ACH-01」を2台使用しました。 最初のセンサーは、振動台の前方端に両面テープで貼り付けました。 2つ目のセンサーも同様に、アルミ板の前方端に取り付けた。 それぞれのセンサーは、校正された振動センサーアンプに接続され、さらにベンチトップマルチメーターに接続された。 各マルチメーターのVRMS測定値から、1mVRMS=1m/s2の加速度として、テーブルとアルミ板が受ける加速度を個別に測定した。

水平分離のグラフ化

前後方向(Y軸)の振動数は10Hzから300Hzまで10Hz刻みで設定した。 両センサーのVRMS値を各間隔でプロットした。 テーブルが約4m/s2の加速度で正弦波状に振動するように振幅を調整した。

 

プレートセンサーの出力をテーブルセンサーの出力から差し引くと、フッターを介した振動の伝わり方がわかります。 Carbide Baseフッター 正の値は、デバイスを通して振動が増幅されていることを示す。 これは、デバイスの共振周波数付近の振動数で予想されたことである。 マイナスの数値は、テーブルから発生する振動が減少していることを示す。 つまり、振動の遮断が望まれていたのです。 数値がマイナスになるほど、アイソレーションが強くなります。

 

線は、フッターからボールベアリングと水平配向エラストマーを取り除いた状態での測定値です。 Carbide Baseフッターにボールベアリングと水平配向エラストマーがない状態での測定値です。 水平方向の絶縁には、ViscoRing™エラストマーだけが利用されていました。 青い線は、ベアリングと水平エラストマーを設置した状態で測定したものです。 ボールベアリングと水平エラストマーを組み込むことで、水平方向の絶縁性能を大幅に向上させた。 特に共振周波数付近で振動振幅の減少が顕著であり、高い減衰効果が得られていることがわかる。

結論

低周波防振のために低形状係数エラストマーを使用するために、いくつかの設計上の特徴が Carbide Base低周波防振のために、形状係数の低いエラストマーを確実に利用できるよう、フッターにいくつかの設計上の特徴が盛り込まれました。 従来は不安定とされていた形状因子のエラストマーも、ハウジングを適切に設計することで、十分に安定させることができるようになった。 さらに、ベアリングと水平配向エラストマーの組み合わせで、水平方向のアイソレーションをさらに向上させた。 これらの新規性は、後に特許として申請されました。

リファレンス

[1] Kemeny, Zoltan A. “Mechanical signal filter”. US 6520283 B2, United States Patent and Trademark Office, 18 February 2003. グーグル特許、https://patents.google.com/patent/US6520283B2