傳輸路徑規避

傳輸路徑規避

 

在設計硬 Carbide Base 材金剛石頁腳時,我們進行了實驗,以量化傳輸路徑規避的好處。 這是一個提高隔振器設計性能的概念,該設計利用滾珠軸承在彎曲軸承滾道中滾動。

 

首先,對傳輸路徑規避進行解釋。 當在彎曲軸承滾道中滾動的滾珠軸承遇到振動時,聲波形式的振動能量將進入軸承。 聲波從軸承上在該給定時刻與振動滾道接觸的點進入。 聲波穿過軸承后,它將到達另一側,大部分能量將反射回入口點。

 

在理論上完美的彎曲滾道中滾動的軸承在受到振動時將處於恆定的無阻礙運動狀態。 因此,當聲波反射回入口點時,軸承很可能在聲波進入的那一刻已經旋轉離開其位置。 由於原始入口點不再與滾道表面接觸,反射聲波的出口路徑被切斷。 然後,聲波將折射並分散在軸承內部,最終以熱量的形式消散。

 

然而,軸承滾道從來都不是完美的。 滾珠軸承將壓力集中到一個無限小的點上。 當施加足夠的載荷時,這種壓力將不可避免地導致軸承滾道中的壓痕。 壓痕的直徑取決於有效載荷重量、軸承半徑、滾道曲率半徑和滾道材料的硬度[1]。

 

滾道壓痕的不利影響

軸承滾道中壓痕的存在會在兩個方面對隔振性能產生不利影響:

  1. 它增加了粘力,這意味著軸承將需要更大的力才能在滾道內運動。 這降低了設備回應的能力,從而降低了隔離小振幅振動的能力。
  2. 軸承在滾道內的部分運動過程中將與壓痕保持持續接觸。 如果與壓痕接觸的時間長於聲波穿過軸承並再次返回所需的時間,則反射的聲波將能夠通過入口接觸位置返回。

傳輸路徑規避示例

以下 2 個示例說明了滾道壓痕尺寸對傳輸路徑規避的不同影響。

傳輸路徑規避示例 1:小凹痕

振動的 紅色 聲波沿著壓痕在接觸點進入軸承。 藍色聲波開始穿過軸承的直徑。 到達終點后,一些能量會反射回入口點。

短時間后,上滾道回應振動而移位,在此過程中使軸承旋轉。 軸承現在正在滾動滾道的斜坡,使得聲波的原始入口點不再與滾道接觸。 藍色聲波沒有返回滾道的路徑,它會在軸承內反射,直到以熱量的形式消散。

傳輸路徑規避示例 2:大壓痕

與上述示例 1 類似, 紅色 聲波在與壓痕接觸點處進入軸承。 藍色聲波在軸承上傳播並再次反射回來。

藍色 聲波反射回來時,大凹痕仍然與入口點接觸。 因此,反射的聲波能夠通過相同的入口點傳回滾道。

影響傳輸路徑規避的因素

以下是影響在彎曲滾道中滾動的滾珠軸承傳動路徑規避能力的 4 個因素。 在每個因素下,我們描述了我們在 Carbide Base 材金剛石頁腳中新的第三隔離階段所採用的設計元素。

鐘擺週期

在彎曲滾道中滾動的軸承就像非線性擺錘一樣。 等效擺長度與滾道曲率半徑與軸承半徑之差有關。 差異越大,鐘擺的長度和週期就越長。 當鐘擺週期長且壓痕較小時,軸承與壓痕接觸所花費的時間相對較小。

 

我們將軸承滾道設計為相對於軸承直徑具有較大的曲率半徑,以實現較長的擺錘週期。 這是理想的,因為它減少了反射聲波有機會通過沿壓痕的入口點逃離軸承的相對時間。 它還降低了隔離器的固有頻率,以改善低頻的隔離。

軸承中的聲速

軸承材料中的聲速將影響聲波穿過軸承然後返回入口點所需的時間。 低聲速的材料是理想的,因為聲波需要更長的時間才能傳播回入口點。 這允許軸承在聲波返回入口點之前旋轉超過壓痕的時間更長。

 

在通常用於滾珠軸承的陶瓷中,氧化鋯以其低縱向聲速而著稱。 氧化鋯還具有比許多其他陶瓷更好的減振性能[2]。 除了高韌性之外,我們的 Carbide Base 腳注還使用了氧化鋯軸承。

硬度
聲速
最大阻尼
軸承直徑

軸承直徑決定了聲波必須在軸承內傳播的距離。 大直徑是理想的,因為它增加了聲波在返回入口點之前必須傳播的距離和時間。

 

Carbide Base材金剛石腳腳的新第三隔離階段中使用的軸承直徑相對較大 – 最大的直徑可以安裝在軸承座中。 任何更大和滾道都必須做得太淺,以至於在保持軸承可靠居中時可能會出現問題。

滾道硬度

高硬度的軸承滾道是理想的選擇,因為它可以更好地抵抗與軸承接觸引起的變形。

為了達到高硬度,我們的 Carbide Base 材金剛石腳腳的第 3 個隔離階段的軸承滾道是使用金剛石工具由固體陶瓷加工而成的。 加工后,滾道經過拋光過程,以獲得光滑的表面光潔度。 徹底拋光是為了盡量減少表面缺陷,這些缺陷可能會阻礙滾珠軸承回應小振幅振動而滾動的能力。

 

拋光后,使用物理氣相沉積(PVD)工藝對軸承座圈進行非晶態金剛石塗層。 該外層具有高達6500 HV的極高硬度。 PVD金剛石還具有低摩擦係數,約為拋光鋼的0.10或約1/10。 這進一步降低了軸承在其滾道內的滾動阻力。

測量軸承滾道壓痕

通過實驗分析了滾珠軸承引起的軸承滾道壓痕。 在直徑為 4 mm 的氧化鋯軸承頂部施加了 90 kg(200 磅)的砝碼,該軸承位於滾道中,滾道由 7075 T6 鋁、1095 淬硬鋼和來自我們的 Carbide Base 材金剛石頁腳的 PVD 金剛石塗層陶瓷製成。 然後使用顯微鏡測量各種材料滾道表面上壓痕的直徑。

材料

7075 T6 鋁

表面硬度

180 HV

壓痕直徑

875 微米

材料

1095 硬化鋼

表面硬度

830 HV

壓痕直徑

254 微米

材料

PVD 金剛石塗層陶瓷

表面硬度

高達 6500 HV

壓痕直徑

在 20 倍放大倍率下無法檢測到

隔振測量

以下測量是使用類似於我們的 音訊頁腳設計調查的過程進行的。 一個 2 分頻揚聲器和一個低音炮被放置在混凝土地板上。 單獨的 3.6 kg(8 磅)有效載荷放置在 3 個釘腳、一個硬 Carbide Base 頁腳和一個 Carbide Base 金剛石頁腳的頂部。 超輕粘環™安裝在兩個腳腳中。 然後通過揚聲器和低音炮播放原木掃頻正弦信號。 連接到有效載荷的加速度計感測器用於測量通過設備的水準振動。

揚聲器測量

對數掃頻正弦激勵範圍為30 Hz至8 kHz。 使用 ACH-01 加速度計感測器以 20 dB 增益測量的水準振動。

尖峰
Carbide Base
Carbide Base 鑽石

低音炮測量

對數掃頻正弦激勵從 10 Hz 到 500 Hz。 使用ACH-01加速度計感測器測量無增益的水準振動。

尖峰
Carbide Base
Carbide Base 鑽石

結論

我們的 Carbide Base 材金剛石腳腳的隔振性能隨著新的第三級的加入而得到顯著改善。 通過設計時考慮到傳輸路徑規避,我們能夠實現更高水準的隔振和消散。 儘管標準 Carbide Base 腳注的性能水平已經很高,但振動幅度和衰減明顯更好。 這種改善在所有可聽頻率上都有,但在低音區域最為明顯。

引用

[1] Kemeny, Zoltan A. “機械信號濾波器”。 美國6520283 B2,美國專利商標局,2003年2月18日。 谷歌專利, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

 

[2] Zhang, J., Perez, R. J., and Lavernia, E. J., “Documentation of Reservoir Capacity of metallic, ceramic and metal-matrix composite materials”, Journal of Materials Science, vol. 28,第 9 期,第 2395–2404 頁,1993 年。 doi:10.1007/BF01151671