Уклонение от пути передачи

В процессе разработки нашего Carbide Base Diamond мы провели эксперименты, чтобы количественно оценить преимущества уклонения от пути передачи. Это концепция, позволяющая улучшить характеристики конструкций виброизоляторов, в которых используются шарикоподшипники, катящиеся по изогнутым дорожкам качения.

Сначала объясним, что такое уклонение от пути передачи. Когда шариковый подшипник, катящийся по изогнутой дорожке качения, сталкивается с вибрацией, энергия вибрации в виде звуковой волны попадает в подшипник. Звуковая волна входит в подшипник из той точки, которая в данный момент времени находится в контакте с вибрирующей дорожкой качения. После того, как звуковая волна пересечет подшипник, она достигнет другой стороны, и большая часть энергии отразится обратно к точке входа.

Подшипник, катящийся по теоретически идеальной изогнутой дорожке качения, будет находиться в постоянном беспрепятственном движении при воздействии вибрации. Таким образом, к тому моменту, когда звуковая волна отразится обратно к точке входа, подшипник, скорее всего, уже повернется в сторону от своего положения в момент входа звуковой волны. Поскольку первоначальная точка входа больше не соприкасается с поверхностью дорожки качения, путь выхода отраженной звуковой волны прерывается. Звуковая волна будет преломляться и рассеиваться внутри подшипника и, в конце концов, рассеется в виде тепла.

Однако дорожка качения подшипника никогда не бывает идеальной. Шариковый подшипник концентрирует давление в бесконечно малой точке. Это давление неизбежно вызовет вмятину в дорожке качения подшипника, когда будет приложена достаточная нагрузка. Диаметр вмятины зависит от веса груза, радиуса подшипника, радиуса кривизны дорожки качения и твердости материала дорожки качения[1].

Неблагоприятные последствия вдавливания дорожки

Наличие углубления в дорожке качения подшипника негативно влияет на характеристики виброизоляции двумя способами:

Он увеличивает сцепление, то есть подшипнику требуется большее усилие для приведения в движение дорожки качения. Это снижает способность устройства реагировать и, следовательно, изолировать вибрации с малой амплитудой.
Подшипник будет оставаться в постоянном контакте с углублением на протяжении всей части своего движения по дорожке качения. Если время контакта с углублением больше, чем время, необходимое звуковой волне для прохождения через подшипник и обратно, отраженная звуковая волна сможет выйти обратно через место контакта.

Пример уклонения от пути передачи

Следующие 2 примера иллюстрируют различные эффекты, которые размер углубления дорожки может оказывать на уклонение от пути передачи.

Уклонение от пути передачи Пример 1: Небольшой отступ

Красная звуковая волна вибрации входит в подшипник в точке контакта вдоль вмятины. Синяя звуковая волна начинает двигаться по диаметру подшипника. Достигнув конца, часть энергии отражается обратно к точке входа.

Через некоторое время верхняя дорожка качения сместилась под действием вибрации, вращая при этом подшипник. Теперь подшипник катится вверх по наклонным дорожкам качения, так что первоначальная точка входа звуковой волны больше не соприкасается с дорожкой качения. Без пути выхода синей звуковой волны обратно в дорожку качения она отражается внутри подшипника, пока не рассеивается в виде тепла.

Уклонение от пути передачи Пример 2: Большой отступ

Как и в примере 1 выше, красная звуковая волна входит в подшипник в точке контакта с углублением. Синяя звуковая волна распространяется по подшипнику и отражается обратно.

Большая выемка все еще находится в контакте с точкой входа к тому времени, когда синяя звуковая волна отразится обратно. Поэтому отраженная звуковая волна может пройти обратно в дорожку через ту же точку входа.

Факторы, влияющие на уклонение от пути передачи

Ниже приведены 4 фактора, которые влияют на способность шарикоподшипника, катящегося по изогнутой дорожке качения, уклоняться от пути передачи. Под каждым фактором мы описываем элементы конструкции, которые мы включили в новую 3-ю ступень изоляции в нашем Carbide Base Diamond нижнем колонтитуле.

Период маятника

Подшипник, катящийся по изогнутой дорожке качения, будет вести себя как нелинейный маятник. Эквивалентная длина маятника зависит от разницы между радиусом кривизны дорожки качения и радиусом подшипника. Чем больше эта разница, тем больше длина маятника и, соответственно, его период. Когда период маятника велик, а вмятина мала, относительно небольшое количество времени подшипник находится в контакте с вмятиной.

Мы разработали дорожки качения наших подшипников с большим радиусом кривизны по отношению к диаметру подшипника, чтобы добиться большого периода маятника. Это идеальный вариант, поскольку он уменьшает относительное время, в течение которого отраженные звуковые волны имеют шанс покинуть подшипник через точку входа вдоль вмятины. Это также снижает собственную частоту изолятора для улучшения изоляции низких частот.

Скорость звука в подшипнике

Скорость звука в материале подшипника влияет на время, которое требуется звуковой волне, чтобы пройти через подшипник и вернуться обратно к точке входа. Материал с низкой скоростью звука является идеальным, так как звуковой волне потребуется больше времени, чтобы вернуться к точке входа. Таким образом, у подшипника будет больше времени, чтобы повернуться мимо вмятины, прежде чем звуковая волна вернется в точку входа.

Из керамики, обычно используемой для изготовления шарикоподшипников, диоксид циркония выделяется низкой продольной скоростью звука. Цирконий также обладает лучшими свойствами демпфирования вибраций, чем многие другие керамики[2]. Именно по этим причинам, а также благодаря высокой прочности, циркониевые подшипники используются во всех наших футерах Carbide Base.

Твердость

Скорость звука

Максимальное демпфирование

Диаметр подшипника

Диаметр подшипника определяет расстояние, которое звуковая волна должна пройти внутри подшипника. Большой диаметр – идеальный вариант, поскольку он увеличивает расстояние и, соответственно, время, которое звуковая волна должна пройти, прежде чем вернуться в точку входа.

Подшипники, используемые в новой 3-й ступени изоляции Carbide Base Diamond имеют относительно большой диаметр – самый большой, который может поместиться в корпус. Если диаметр будет больше, то дорожка качения должна быть сделана настолько мелкой, что могут возникнуть проблемы с надежным центрированием подшипника.

Твердость дорожек

Дорожка качения подшипника с высокой твердостью – идеальный вариант, поскольку она будет лучше сопротивляться деформации, вызванной контактом с подшипником.

Чтобы добиться высокой твердости, дорожки качения подшипников в 3-й ступени изоляции нашего Carbide Base Diamond обрабатываются из цельной керамики с помощью алмазных инструментов. После обработки дорожки качения подвергаются процессу полировки для достижения гладкой поверхности. Тщательная полировка призвана свести к минимуму дефекты поверхности, которые могут препятствовать способности шарикоподшипника катиться в ответ на вибрации малой амплитуды.

После полировки на дорожки подшипников наносится покрытие из аморфного алмаза с помощью процесса физического осаждения из паровой фазы (PVD). Этот внешний слой обладает чрезвычайной твердостью до 6500 HV. PVD-алмаз также имеет низкий коэффициент трения – около 0,10 или примерно 1/10 от коэффициента трения полированной стали. Это еще больше снижает сопротивление качению подшипников внутри их дорожек качения.

Измерение вдавливания дорожек качения подшипников

Был проведен эксперимент по анализу вдавливания дорожек качения подшипников, вызванного шарикоподшипником. Вес 90 кг (200 фунтов) был приложен к циркониевому подшипнику диаметром 4 мм, установленному в дорожках качения с одинаковой кривизной, изготовленных из алюминия 7075 T6, закаленной стали 1095 и керамики с алмазным PVD-покрытием из нашего Carbide Base Diamond подножки. Затем с помощью микроскопа был измерен диаметр вмятины на поверхностях дорожек качения из различных материалов.

Материал

Алюминий 7075 T6

Материал

Закаленная сталь 1095

Материал

Керамика с алмазным покрытием PVD

Твердость поверхности

180 HV

Твердость поверхности

830 HV

Твердость поверхности

До 6500 HV

Диаметр вдавливания

875 мкм

Диаметр вдавливания

254 мкм

Диаметр вдавливания

Не обнаруживается при 20-кратном увеличении

Измерения виброизоляции

Следующие измерения были проведены с помощью процесса, аналогичного нашему исследованию дизайна звуковых колонн. Двухполосная акустическая система и сабвуфер были размещены на бетонном полу. Отдельные полезные грузы весом 3,6 кг (8 фунтов) были помещены на вершину 3 шипов, подножку Carbide Base подставку и Carbide Base Diamond подножка. Суперлегкий ViscoRing™ был установлен в обоих футерах. Синусоидальные сигналы с логарифмической разверткой затем воспроизводились через громкоговоритель и сабвуфер. Акселерометрические датчики, прикрепленные к полезной нагрузке, использовались для измерения горизонтальных колебаний, проходящих через устройства.

Измерения громкоговорителей

Синусоидальное возбуждение с логарифмической разверткой от 30 Гц до 8 кГц. Горизонтальные колебания измерялись с коэффициентом усиления 20 дБ с помощью акселерометрического датчика ACH-01.

Шипы

Carbide Base

Carbide Base Diamond

Измерения сабвуфера

Синусоидальное возбуждение с логарифмической разверткой от 10 до 500 Гц. Горизонтальные колебания измерялись без усиления с помощью акселерометрического датчика ACH-01.

Шипы

Carbide Base

Carbide Base Diamond

Заключение

Характеристики виброизоляции нашего Carbide Base Diamond футера заметно улучшились с добавлением новой 3-й ступени изоляции. Благодаря проектированию с учетом уклонения от пути передачи мы смогли достичь более высокого уровня виброизоляции и рассеивания вибрации. Амплитуда вибрации и ее затухание стали заметно лучше, несмотря на и без того высокий уровень производительности стандартного футтера Carbide Base. Улучшения наблюдались на всех слышимых частотах, но наиболее значительны в области низких частот.

Ссылки

[1] Кемени, Золтан А. “Механический фильтр сигналов”. US 6520283 B2, Бюро патентов и торговых марок США, 18 февраля 2003 г. Google Патенты, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

[2] Чжан, Дж., Перес, Р. Дж., и Лаверния, Э. Дж., “Документальное подтверждение демпфирующей способности металлических, керамических и металломатричных композиционных материалов”, Журнал материаловедения, том 28, № 9, стр. 2395-2404, 1993. doi:10.1007/BF01151671