Évasion du chemin de transmission

Lors de la conception de notre Carbide Base Diamond nous avons mené des expériences pour quantifier les avantages de l’évasion du chemin de transmission.
Il s’agit d’un concept visant à améliorer les performances des isolateurs de vibrations qui utilisent des roulements à billes roulant dans des chemins de roulement incurvés.

Tout d’abord, une explication de l’évasion des voies de transmission.
Lorsqu’un roulement à billes roulant dans un chemin de roulement incurvé rencontre une vibration, l’énergie de la vibration sous forme d’onde sonore pénètre dans le roulement.
L’onde sonore entre par un point du roulement qui est en contact avec le chemin de roulement vibrant à cet instant donné.
Une fois que l’onde sonore a traversé le coussinet, elle atteint l’autre côté et une grande partie de l’énergie est réfléchie vers le point d’entrée.

Un roulement dans un chemin de roulement incurvé théoriquement parfait sera en mouvement constant et sans entrave lorsqu’il est soumis à des vibrations.
Ainsi, au moment où l’onde sonore se réfléchit vers le point d’entrée, le roulement aura probablement pivoté par rapport à sa position au moment de l’entrée de l’onde sonore.
Le point d’entrée initial n’étant plus en contact avec la surface du chemin de roulement, le chemin de sortie de l’onde sonore réfléchie est coupé.
L’onde sonore se réfracte et se disperse à l’intérieur du roulement et finit par se dissiper sous forme de chaleur.

Cependant, un chemin de roulement n’est jamais parfait.
Un roulement à billes concentre la pression en un point infiniment petit.
Cette pression provoque inévitablement une indentation dans le chemin de roulement lorsqu’une charge suffisante est appliquée.
Le diamètre de l’empreinte dépend du poids de la charge utile, du rayon du roulement, du rayon de courbure du chemin de roulement et de la dureté du matériau du chemin de roulement[1].

Effets néfastes d’une indentation du chemin de roulement

La présence d’une indentation dans le chemin de roulement affecte négativement les performances d’isolation vibratoire de deux manières :

Il augmente la rigidité, ce qui signifie que le roulement aura besoin d’une plus grande force pour se mettre en mouvement à l’intérieur du chemin de roulement.
Cela réduit la capacité du dispositif à répondre aux vibrations de faible amplitude et donc à les isoler.
Le roulement reste en contact permanent avec l’empreinte pendant une partie de son déplacement dans le chemin de roulement.
Si le temps passé en contact avec l’empreinte est plus long que le temps nécessaire à une onde sonore pour traverser le palier et revenir, l’onde sonore réfléchie pourra ressortir par le point de contact d’entrée.

Exemple d’évasion du chemin de transmission

Les deux exemples suivants illustrent les différents effets que la taille de l’empreinte du chemin de roulement peut avoir sur l’évasion du chemin de transmission.

Exemple 1 de contournement de la voie de transmission : petite indentation

L’onde sonore rouge d’une vibration pénètre dans le roulement au point de contact, le long de l’empreinte. L’onde sonore bleue commence à parcourir le diamètre du palier. Lorsqu’elle atteint l’extrémité, une partie de l’énergie est renvoyée vers le point d’entrée.

Après un court laps de temps, le chemin de roulement supérieur s’est déplacé sous l’effet des vibrations, entraînant la rotation du roulement.
Le roulement roule maintenant sur les inclinaisons des chemins de roulement, de sorte que le point d’entrée initial de l’onde sonore n’est plus en contact avec le chemin de roulement.
Sans chemin pour que l’onde sonore bleue retourne dans le chemin de roulement, elle se reflète dans le roulement jusqu’à ce qu’elle soit dissipée sous forme de chaleur.

Exemple d’évasion du chemin de transmission 2 : Grande indentation

Comme dans l’exemple 1 ci-dessus, l’onde sonore rouge pénètre dans le roulement au point de contact avec l’empreinte. L’onde sonore bleue se propage à travers le coussinet et se réfléchit à nouveau.

La grande indentation est toujours en contact avec le point d’entrée lorsque l’onde sonore bleue est réfléchie. L’onde sonore réfléchie est donc capable de repasser dans le chemin de roulement par le même point d’entrée.

Facteurs influençant l’évasion des voies de transmission

Vous trouverez ci-dessous 4 facteurs qui influencent la capacité d’évasion du chemin de transmission d’un roulement à billes roulant dans un chemin de roulement incurvé.
Pour chaque facteur, nous décrivons les éléments de conception que nous avons incorporés dans la nouvelle 3ème étape d’isolation dans notre Carbide Base Diamond pied de page.

Période du pendule

Un roulement dans un chemin de roulement incurvé se comporte comme un pendule non linéaire.
La longueur équivalente du pendule est liée à la différence entre le rayon de courbure du chemin de roulement et le rayon du roulement.
Plus la différence est importante, plus la longueur et donc la période du pendule sont grandes.
Lorsque la période du pendule est longue et que l’empreinte est petite, le temps passé avec le roulement en contact avec l’empreinte est relativement faible.

Nous avons conçu nos chemins de roulement de manière à ce qu’ils aient un grand rayon de courbure par rapport au diamètre du roulement afin d’obtenir une longue période de pendule.
Ceci est idéal car cela réduit le temps relatif pendant lequel les ondes sonores réfléchies ont une chance de s’échapper du coussinet par le point d’entrée le long de l’indentation.
Il abaisse également la fréquence naturelle de l’isolateur afin d’améliorer l’isolation des basses fréquences.

Vitesse du son dans le palier

La vitesse du son dans le matériau du palier affecte le temps nécessaire à une onde sonore pour traverser le palier et revenir au point d’entrée.
Un matériau ayant une faible vitesse du son est idéal car l’onde sonore mettra plus de temps à revenir au point d’entrée.
Le roulement a ainsi plus de temps pour tourner au-delà de l’indentation avant que l’onde sonore ne revienne au point d’entrée.

Parmi les céramiques couramment utilisées pour les roulements à billes, la zircone se distingue par sa faible vitesse longitudinale du son.
La zircone possède également de meilleures propriétés d’amortissement des vibrations que de nombreuses autres céramiques[2].
C’est pour ces raisons, ainsi que pour leur grande robustesse, que les roulements en zircone sont utilisés sur notre site Carbide Base footer.

Dureté

Vitesse du son

Amortissement maximal

Diamètre du palier

Le diamètre du palier détermine la distance que l’onde sonore doit parcourir à l’intérieur du palier.
Un grand diamètre est idéal car il augmente la distance et donc le temps que l’onde sonore doit parcourir avant de revenir au point d’entrée.

Les roulements utilisés dans le nouvel étage d’isolation du pied de lit ont un diamètre relativement important. Carbide Base Diamond ont un diamètre relativement important – le plus grand possible dans le logement.
Au-delà, le chemin de roulement doit être si peu profond qu’il peut s’avérer difficile de maintenir le roulement centré de manière fiable.

Dureté du chemin de roulement

Un chemin de roulement d’une dureté élevée est idéal car il résistera mieux à la déformation causée par le contact avec le roulement.

Pour obtenir une dureté élevée, les chemins de roulement du troisième étage d’isolation de notre pied de page sont usinés en céramique solide à l’aide d’outils diamantés. Carbide Base Diamond sont usinés en céramique solide à l’aide d’outils diamantés.
Après l’usinage, les chemins de roulement subissent un processus de polissage pour obtenir une finition de surface lisse.
Le polissage minutieux a pour but de minimiser les imperfections de surface qui pourraient entraver la capacité du roulement à billes à rouler en réponse à des vibrations de faible amplitude.

Après le polissage, les bagues de roulement sont recouvertes de diamant amorphe par un procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD).
Cette couche extérieure présente une dureté extrême allant jusqu’à 6500 HV.
Le diamant PVD a également un faible coefficient de frottement d’environ 0,10, soit environ 1/10e de celui de l’acier poli.
Cela réduit encore la résistance au roulement des roulements dans leurs chemins de roulement.

Mesure de l’indentation des chemins de roulement

Une expérience a été menée pour analyser l’indentation des chemins de roulement causée par un roulement à billes.
Un poids de 90 kg a été appliqué sur un roulement en zircone de 4 mm de diamètre placé dans des chemins de roulement de courbure similaire en aluminium 7075 T6, en acier trempé 1095 et en céramique à revêtement diamant PVD de notre Carbide Base Diamond pied de page.
Un microscope a ensuite été utilisé pour mesurer le diamètre de l’indentation sur les surfaces des chemins de roulement des différents matériaux.

Matériau

Aluminium 7075 T6

Matériau

Acier trempé 1095

Matériau

Céramique revêtue de diamants PVD

Dureté de la surface

180 HV

Dureté de la surface

830 HV

Dureté de la surface

Jusqu’à 6500 HV

Diamètre d’indentation

875 μm

Diamètre d’indentation

254 μm

Diamètre d’indentation

Non détectable à un grossissement de 20x

Mesures d’isolation vibratoire

Les mesures suivantes ont été prises en utilisant un processus similaire à notre enquête sur les conceptions de pieds de page audio. Un haut-parleur à deux voies et un caisson de basse ont été placés sur un sol en béton. Des charges utiles séparées de 3,6 kg ont été placées au sommet de 3 Spikes, d’un Carbide Base et d’un Carbide Base Diamond pied. Le Super Light ViscoRing™ a été installé dans les deux pieds. Des signaux sinusoïdaux logarithmiques ont ensuite été diffusés dans le haut-parleur et le caisson de basse.
Des accéléromètres fixés aux charges utiles ont été utilisés pour mesurer les vibrations horizontales passant par les dispositifs.

Mesures des haut-parleurs

Excitation sinusoïdale à balayage logarithmique de 30 Hz à 8 kHz.
Vibrations horizontales mesurées avec un gain de 20 dB à l’aide d’un accéléromètre ACH-01.

Pointes

Carbide Base

Carbide Base Diamond

Mesures du caisson de basse

Excitation sinusoïdale à balayage logarithmique de 10 Hz à 500 Hz.
Vibrations horizontales mesurées sans gain à l’aide d’un accéléromètre ACH-01.

Pointes

Carbide Base

Carbide Base Diamond

Conclusion

La performance d’isolation vibratoire de notre Carbide Base Diamond a été nettement améliorée par l’ajout d’un troisième étage d’isolation.
En concevant l’évitement des voies de transmission, nous avons pu atteindre un niveau plus élevé d’isolation et de dissipation des vibrations.
L’amplitude et la décroissance des vibrations ont été nettement améliorées malgré le niveau de performance déjà élevé de l’appareil standard Carbide Base footer.
L’amélioration a porté sur toutes les fréquences audibles, mais elle a été la plus significative dans la région des basses.

Références

[1] Kemeny, Zoltan A. « Filtre de signal mécanique ».
US 6520283 B2, Office des brevets et des marques des États-Unis, 18 février 2003.
Brevets Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

[2] Zhang, J., Perez, R. J., et Lavernia, E. J., « Documentation of damping capacity of metallic, ceramic and metal-matrix composite materials », Journal of Materials Science, vol.
28, no. 9, pp. 2395-2404, 1993.
doi:10.1007/BF01151671