粘弾性ポリマーやエラストマーは、その高い減衰能力から、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
平均搭載面積は、ペイロード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 ViscoRing™フッターに使用されるエラストマー Carbide Baseフッターに使用するエラストマーを設計する際、0.17の形状係数を計画しました。 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。
ViscoRing™ 、荷重を垂直に支え、座屈を回避する能力をテストする実験が行われました。 実験は、徐々に重さを加えていき、素材の垂直方向の変形を測定するというものです。 ミディアムViscoRing™ 、室温環境下で1.13kg刻みで重りをのせました。 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軸は応力または加重を、X軸は加重によるひずみまたは垂直変形を表しています。
赤い曲線は、ハウジングなしのViscoRing™ 。 最初に荷重をかけた直後から、荷重によって材料が大きく座屈し、変形し始めたことがわかる。 この素材は、極端に低い形状係数から予想されるように、小さな質量を支えるには不十分なものでした。
ViscoRing™ の安定性を向上させるため、フッターの上部にハウジングを設計しました。 Carbide Base上の簡略図に示すように、フッターの上部にハウジングを設計しました。ViscoRing™ の周囲に間隔をあけてリッジを追加し、これを補強して座屈を防止しました。リッジの間隔は、ViscoRing™ の外側からさまざまな間隔で設けられました。 これにより、外側に膨らむ表面積が大幅に確保され、低シェイプファクターによる性能向上が維持されます。
ViscoRing™ が外側に膨らむにつれて、膨らんだ表面積の割合が徐々に大きくなり、傾斜したリッジと接触するようになりました。 このように、ペイロードの質量が大きくなるにつれて形状係数が大きくなるため、より広い範囲のペイロード質量で共振周波数が安定する。 言い換えれば Carbide Baseフッターの免震性能は、この漸進的な形状係数の設計により、積載重量が変化しても一定になりました。
青い曲線は、フッター上部のハウジングに同じViscoRing™ 。 Carbide Baseフッターの上部のハウジングに 重量をかけると、垂直方向の変形が比較的直線的に増加することが確認された。 素材が意図したとおりに座屈しないのだ。 材料の剛性は、無負荷の表面積が大きくなるにつれて、応力の増加とともに徐々に大きくなっていくものです。 これにより、材料の最大重量支持力を向上させることが望ましかった。
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。 選択的にブレースされたViscoRing™ 、材料がさらに膨らむのを防いだ場合に起こるような急激な傾斜や剛性の増加は見られませんでした。 このようなバネ質量系で低い共振周波数を実現するためには、低い剛性またはバネレートが重要です。
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軌道の間にボールベアリングを介在させています[1]。
フッター下部の設計は Carbide Baseフッター下部の設計は、ベアリングの軌道面がカーブしているのではなく、平坦になっている点が異なります。 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、軸受にはジルコニア、軸受軌道面には研磨された硬化バネ鋼が選ばれた。
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。
つの Carbide BaseミディアムViscoRings™ 、振動テーブルの上に設置。 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。 両センサーの出力を記録し、テーブルとアルミ板が受ける加速度を測定しました。
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。 両センサーの電圧出力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。
センサーの出力を差し引くと、フッターを通して振動が伝わっていることがわかります。 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。
赤線は、フッターにボールベアリングがなく Carbide Base赤線は、ボールベアリングと水平方向に配置されたエラストマーが欠落したフッターで測定されたものです。ViscoRing™ 、エラストマーだけがアイソレーションを提供していました。 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。
防振のために低形状係数エラストマーを Carbide Baseフッターには、防振のために低形状係数のエラストマーを確実に利用するためのいくつかの設計上の特徴が盛り込まれています。 従来は不安定とされていた形状因子を形成するエラストマーも、専用ハウジングで十分に安定させることができました。 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。
[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
