Die durchschnittlich belastete Fläche ist der Durchschnitt der oberen und unteren Fläche, die die Nutzlast tragen. Die Ausbeulfläche ist die Fläche, die sich senkrecht zur Last ausbeulen kann.

Die Stabilität eines Elastomers kann unterhalb eines bestimmten Formfaktors beeinträchtigt werden, wenn das Material immer höher und schmaler wird. Einige Elastomerhersteller empfehlen, einen Formfaktor von 0,3 nicht zu überschreiten, um ein Ausknicken zu verhindern – ein Problem, das zum Umkippen der gestützten Geräte führen kann.

Bei der Entwicklung des ViscoRing™ Elastomer, das für die Carbide Base Fußböden wurde ein Formfaktor von 0,17 vorgesehen. Dies wurde gewählt, um die Resonanzfrequenz so weit nach unten zu drücken, dass die niedrigsten hörbaren Frequenzen wirksam isoliert werden können.

Verbesserung der Stabilität

Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die Fähigkeit von ViscoRing™ zu testen, eine Last vertikal zu tragen und ein Ausknicken zu vermeiden. Das Experiment bestand darin, das Material schrittweise zu belasten und die vertikale Verformung zu messen. Die Gewichte wurden in Schritten von 1,13 kg (2,5 lbs) bei Raumtemperatur auf dem Medium ViscoRing™ angebracht. Der vertikale Verformungsabstand wurde in Form der abgebildeten Spannungs-Dehnungs-Kurve aufgetragen. Die y-Achse stellt die Spannung oder das Gewicht dar, das aufgebracht wird, und die x-Achse stellt die Dehnung oder vertikale Verformung dar, die durch das Aufbringen des Gewichts verursacht wird.

Die rote Kurve zeigt die ViscoRing™ allein ohne Gehäuse. Es ist zu erkennen, dass das Material kurz nach der ersten Belastung anfing, sich unter der Last stark zu verformen und zu verbiegen. Das Material hat selbst eine kleine Masse schlecht gehalten, was angesichts des extrem niedrigen Formfaktors zu erwarten war.

Um die Stabilität des ViscoRing™ zu verbessern, wurde für ihn ein Gehäuse im oberen Teil der Carbide Base Fußzeile, wie in der obigen vereinfachten Grafik dargestellt. Am Umfang des ViscoRing™ wurden in regelmäßigen Abständen Rippen angebracht, um es zu versteifen und ein Ausknicken zu verhindern. Die Rippen wurden in unterschiedlichen Abständen von der Außenseite des ViscoRing™ angebracht. Dadurch wurde eine beträchtliche Fläche frei, die sich nach außen wölbt, so dass ein Großteil des Leistungsvorteils des niedrigen Formfaktors erhalten bleibt.

Als sich ViscoRing™ nach außen wölbte, kam ein immer größerer Prozentsatz der gewölbten Oberfläche in Kontakt mit den schrägen Rippen. Dieser Anstieg des Formfaktors mit zunehmender Nutzlastmasse führte zu einer konsistenteren Resonanzfrequenz über einen breiteren Bereich von Nutzlastmassen. Mit anderen Worten, die Isolationsleistung der Carbide Base mit diesem progressiven Formfaktor-Design konstanter bei unterschiedlichen Nutzlastgewichten.

Die blaue Kurve zeigt dieselbe ViscoRing™, die im Gehäuse des oberen Teils der Carbide Base Fußzeile. Es wurde ein relativ linearer Anstieg der vertikalen Verformung bei der Anwendung von Gewicht beobachtet. Das Material wölbte sich nicht wie vorgesehen. Die Steifigkeit des Materials nimmt mit zunehmender Spannung allmählich zu, wenn mehr von der unbelasteten Oberfläche verspannt wird. Dadurch wurde die maximale Tragfähigkeit des Materials erhöht.

Elastomere lassen sich nicht auf ein kleineres Volumen komprimieren. Daher müssen sich Elastomere nach außen wölben können, um sich unter Belastung zu verformen. Die selektiv verstrebten ViscoRing™ wiesen keinen plötzlichen Anstieg der Neigung oder Steifigkeit auf, wie es der Fall gewesen wäre, wenn das Material an einer weiteren Ausbeulung gehindert worden wäre. Eine niedrige Steifigkeit oder Federrate ist wichtig, um mit einem Feder-Masse-System wie diesem eine niedrige Resonanzfrequenz zu erreichen.

Horizontale Isolierung grafisch darstellen

Die Vorwärts- und Rückwärtsschwingungsfrequenz (Y-Achse) wurde in 10-Hz-Schritten von 10 Hz bis 300 Hz eingestellt. Der Spannungsausgang beider Sensoren wurde in jedem Intervall aufgezeichnet. Die Amplitude des Tisches wurde so eingestellt, dass der Tisch sinusförmig mit einer Beschleunigung von etwa 4 m/s2 schwingt.

Die Subtraktion des Outputs der Sensoren ergab die Übertragung der Vibrationen durch die Carbide Base Fußstützen. Positive Werte wiesen auf eine Verstärkung der Vibrationen durch das Gerät hin. Dies war bei Schwingungsfrequenzen um die Resonanzfrequenz des Geräts zu erwarten. Negative Werte bedeuten eine Verringerung der vom Tisch erzeugten Vibrationen. Mit anderen Worten: eine erwünschte Isolierung von Schwingungen. Je negativer der Wert ist, desto größer ist die Isolation.

Die rote Linie zeigt Messungen, die mit den Carbide Base Fußstützen ohne Kugellager und horizontal ausgerichtete Elastomere. Nur das Elastomer ViscoRing™ sorgte für die Isolierung. Die blaue Linie zeigt Messungen, die mit eingebauten Lagern und horizontalen Elastomeren durchgeführt wurden. Durch den Einbau von Kugellagern und horizontalen Elastomeren wurde die horizontale Isolationsleistung erheblich verbessert. Die Verringerung der Schwingungsamplitude war im Bereich der Resonanzfrequenz besonders ausgeprägt, was auf eine höhere Dämpfung hinweist.

Schlussfolgerung

Mehrere Konstruktionsmerkmale wurden in die Carbide Base um Elastomere mit niedrigem Formfaktor zuverlässig für die Schwingungsisolierung zu nutzen. Elastomere, die in Formfaktoren geformt wurden, die zuvor als zu instabil galten, wurden mit einem speziell entwickelten Gehäuse ausreichend stabil gemacht. Durch die zusätzliche Kombination von Lagern und horizontal ausgerichteten Elastomeren wurde die horizontale Isolierung weiter verbessert. Diese neuen Merkmale wurden später in ein anhängiges Patent aufgenommen.