Umgehung des Übertragungsweges

Bei der Entwicklung unserer Carbide Base Diamond Footer haben wir Experimente durchgeführt, um die Vorteile der Umgehung des Übertragungsweges zu quantifizieren. Dies ist ein Konzept zur Verbesserung der Leistung von Schwingungsisolatoren, bei denen Kugellager in gekrümmten Lagerlaufbahnen rollen.

Zunächst eine Erklärung zur Umgehung des Übertragungsweges. Wenn ein Kugellager, das in einer gekrümmten Lagerlaufbahn rollt, auf eine Vibration trifft, dringt Schwingungsenergie in Form einer Schallwelle in das Lager ein. Die Schallwelle tritt von einem Punkt des Lagers aus ein, der zu diesem Zeitpunkt in Kontakt mit der vibrierenden Laufbahn ist. Nachdem die Schallwelle das Lager durchquert hat, erreicht sie die andere Seite und ein Großteil der Energie wird zum Eintrittspunkt zurück reflektiert.

Ein Lager, das in einer theoretisch perfekten, gekrümmten Laufbahn rollt, ist bei Vibrationen ständig in ungehinderter Bewegung. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Schallwelle zum Eintrittspunkt zurückreflektiert wird, hat sich das Lager also wahrscheinlich schon von seiner Position zum Zeitpunkt des Eintritts der Schallwelle weggedreht. Da der ursprüngliche Eintrittspunkt nicht mehr in Kontakt mit der Oberfläche der Laufbahn ist, wird der Austrittspfad für die reflektierte Schallwelle unterbrochen. Die Schallwelle wird dann gebrochen und im Inneren des Lagers zerstreut und schließlich als Wärme abgeleitet.

Eine Lagerlaufbahn ist jedoch nie perfekt. Ein Kugellager konzentriert den Druck auf einen unendlich kleinen Punkt. Dieser Druck führt unweigerlich zu einer Vertiefung in der Lagerlaufbahn, wenn eine ausreichende Last aufgebracht wird. Der Durchmesser der Vertiefung ist abhängig vom Gewicht der Nutzlast, dem Radius des Lagers, dem Krümmungsradius der Laufbahn und der Härte des Laufbahnmaterials[1].

Nachteilige Auswirkungen einer Einbuchtung in der Laufbahn

Das Vorhandensein einer Vertiefung in der Lagerlaufbahn beeinträchtigt die Leistung der Schwingungsisolierung auf 2 Arten:

Es erhöht die Haftreibung, was bedeutet, dass das Lager mehr Kraft benötigt, um sich in der Laufbahn in Bewegung zu setzen. Dies verringert die Fähigkeit des Geräts, auf Vibrationen mit kleinen Amplituden zu reagieren und diese zu isolieren.
Das Lager bleibt während eines Teils seiner Bewegung in der Laufbahn in ständigem Kontakt mit der Vertiefung. Wenn die Kontaktzeit mit der Vertiefung länger ist als die Zeit, die eine Schallwelle benötigt, um das Lager zu durchqueren und wieder zurückzukehren, kann die reflektierte Schallwelle durch die Kontaktstelle am Eingang wieder austreten.

Beispiel für die Umgehung des Übertragungsweges

Die folgenden 2 Beispiele veranschaulichen die unterschiedlichen Auswirkungen, die die Größe der Einkerbung in der Laufbahn auf die Umgehung des Übertragungsweges haben kann.

Umgehung des Übertragungsweges Beispiel 1: Kleine Einbuchtung

Die rote Schallwelle einer Vibration tritt an der Kontaktstelle entlang der Vertiefung in das Lager ein. Die blaue Schallwelle beginnt, sich über den Durchmesser des Lagers zu bewegen. Wenn Sie das Ende erreicht haben, wird ein Teil der Energie zum Eintrittspunkt zurückreflektiert.

Nach kurzer Zeit hat sich die obere Laufbahn als Reaktion auf die Vibration verschoben und das Lager dabei gedreht. Das Lager rollt nun die Schrägen der Laufbahnen hinauf, so dass der ursprüngliche Eintrittspunkt der Schallwelle nicht mehr in Kontakt mit der Laufbahn ist. Ohne einen Weg für die blaue Schallwelle, um zurück in die Laufbahn zu gelangen, wird sie im Lager reflektiert, bis sie als Wärme abgeleitet wird.

Umgehung des Übertragungsweges Beispiel 2: Große Einbuchtung

Ähnlich wie in Beispiel 1 oben tritt die rote Schallwelle am Kontaktpunkt mit der Vertiefung in das Lager ein. Die blaue Schallwelle breitet sich über das Lager aus und wird wieder zurück reflektiert.

Die große Vertiefung ist immer noch in Kontakt mit der Eintrittsstelle, wenn die blaue Schallwelle zurückgeworfen wird. Die reflektierte Schallwelle kann daher durch denselben Eintrittspunkt zurück in den Laufkanal gelangen.

Faktoren, die die Umgehung des Übertragungsweges beeinflussen

Nachstehend finden Sie 4 Faktoren, die die Fähigkeit eines Kugellagers, auf einer gekrümmten Laufbahn zu laufen, beeinflussen. Unter jedem Faktor beschreiben wir die Designelemente, die wir in die neue 3. Isolationsstufe in unserem Carbide Base Diamond Footer eingebaut haben.

Periode des Pendels

Ein Lager, das in einer gekrümmten Laufbahn rollt, verhält sich wie ein nichtlineares Pendel. Die äquivalente Pendellänge hängt mit der Differenz zwischen dem Radius der Krümmung der Laufbahn und dem Radius des Lagers zusammen. Je größer die Differenz ist, desto länger ist die Länge des Pendels und damit die Periode. Wenn die Periode des Pendels lang und die Vertiefung klein ist, ist die Zeit, die das Lager mit der Vertiefung in Kontakt ist, relativ gering.

Wir haben unsere Lagerlaufbahnen so konzipiert, dass sie einen großen Krümmungsradius im Verhältnis zum Lagerdurchmesser haben, um eine lange Pendelperiode zu erreichen. Dies ist ideal, da es die relative Zeit verkürzt, in der reflektierte Schallwellen die Chance haben, das Lager durch den Eintrittspunkt entlang der Vertiefung zu verlassen. Außerdem wird die Eigenfrequenz des Isolators gesenkt, um die Isolierung von niedrigen Frequenzen zu verbessern.

Schallgeschwindigkeit im Lager

Die Schallgeschwindigkeit im Lagermaterial wirkt sich auf die Zeit aus, die eine Schallwelle benötigt, um das Lager zu durchqueren und dann zum Eintrittspunkt zurückzukehren. Ein Material mit niedriger Schallgeschwindigkeit ist ideal, da die Schallwelle länger braucht, um zum Eintrittspunkt zurückzukehren. Dadurch hat das Lager mehr Zeit, sich an der Vertiefung vorbeizudrehen, bevor die Schallwelle zum Eintrittspunkt zurückkehrt.

Von den Keramiken, die üblicherweise für Kugellager verwendet werden, zeichnet sich Zirkoniumdioxid durch seine niedrige longitudinale Schallgeschwindigkeit aus. Zirkoniumdioxid hat auch bessere vibrationsdämpfende Eigenschaften als viele andere Keramiken[2]. Aus diesen Gründen und wegen der hohen Zähigkeit werden Zirkoniumdioxid-Gleitlager in unserer Carbide Base verwendet.

Härte

Schallgeschwindigkeit

Maximale Dämpfung

Durchmesser des Lagers

Der Durchmesser des Lagers bestimmt die Strecke, die die Schallwelle innerhalb des Lagers zurücklegen muss. Ein großer Durchmesser ist ideal, da er die Entfernung und damit die Zeit erhöht, die die Schallwelle zurücklegen muss, bevor sie zum Eintrittspunkt zurückkehrt.

Die Lager, die in der neuen 3. Isolationsstufe der Carbide Base Diamond Fußmaschine verwendet werden, haben einen relativ großen Durchmesser – den größten, der in das Gehäuse passen würde. Bei einer größeren Größe muss die Laufbahn so flach ausgeführt werden, dass es Probleme geben kann, das Lager zuverlässig zu zentrieren.

Härte der Laufbahn

Eine Lagerlaufbahn mit einer hohen Härte ist ideal, da sie einer Verformung durch den Kontakt mit dem Lager besser widersteht.

Um eine hohe Härte zu erreichen, werden die Lagerlaufbahnen in der 3. Isolationsstufe unserer Carbide Base Diamond Fußmaschine aus massiver Keramik mit Diamantwerkzeugen bearbeitet. Nach der Bearbeitung werden die Laufbahnen einem Polierprozess unterzogen, um eine glatte Oberfläche zu erhalten. Das gründliche Polieren dient dazu, Oberflächenfehler zu minimieren, die die Fähigkeit des Kugellagers beeinträchtigen könnten, bei kleinen Amplitudenschwingungen zu rollen.

Nach dem Polieren werden die Lagerringe mit amorphem Diamant in einem PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) beschichtet. Diese äußere Schicht hat eine extreme Härte von bis zu 6500 HV. PVD-Diamant hat auch einen niedrigen Reibungskoeffizienten von etwa 0,10 oder etwa 1/10 des Reibungskoeffizienten von poliertem Stahl. Dadurch wird der Rollwiderstand der Lager in ihren Laufbahnen weiter reduziert.

Messen der Eindrückung von Lagerlaufbahnen

Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die durch ein Kugellager verursachte Einkerbung der Lagerlaufbahnen zu analysieren. Ein 90 kg (200 lbs.) schweres Gewicht wurde auf ein Zirkoniumdioxid-Lager mit einem Durchmesser von 4 mm aufgebracht, das in Laufbahnen mit ähnlichen Krümmungen aus 7075 T6 Aluminium, 1095 gehärtetem Stahl und der PVD-diamantbeschichteten Keramik aus unserer Carbide Base Diamond-Fußplatte sitzt. Mit einem Mikroskop wurde dann der Durchmesser der Vertiefung auf den Laufbahnoberflächen der verschiedenen Materialien gemessen.

Material

7075 T6 Aluminium

Oberflächenhärte

180 HV

Durchmesser der Vertiefung

875 μm

Material

1095 Gehärteter Stahl

Oberflächenhärte

830 HV

Durchmesser der Vertiefung

254 μm

Material

PVD Diamantbeschichtete Keramik

Oberflächenhärte

Bis zu 6500 HV

Durchmesser der Vertiefung

Bei 20-facher Vergrößerung nicht nachweisbar

Messungen der Schwingungsisolierung

Die folgenden Messungen wurden nach einem ähnlichen Verfahren wie bei unserer Umfrage zu Audio Footer Designs durchgeführt. Ein 2-Wege-Lautsprecher und ein Subwoofer wurden auf einem Betonboden aufgestellt. Separate 3,6 kg (8 lbs.) Nutzlasten wurden auf 3 Spikes, einem Carbide Base Footer und einem Carbide Base Diamond Footer platziert. Der Super Light ViscoRing™ wurde in beiden Fußböden installiert. Logarithmische Sinussignale wurden dann über den Lautsprecher und den Subwoofer abgespielt. An den Nutzlasten angebrachte Beschleunigungssensoren wurden verwendet, um die horizontalen Vibrationen zu messen, die durch die Geräte hindurchgehen.

Lautsprechermessungen

Logarithmische Sinusanregung von 30 Hz bis 8 kHz. Horizontale Vibrationen gemessen mit 20 dB Verstärkung mit einem ACH-01 Beschleunigungssensor.

Spikes

Carbide Base

Carbide Base Diamant

Subwoofer-Messungen

Logarithmische Sinusanregung von 10 Hz bis 500 Hz. Horizontale Vibrationen, gemessen ohne Verstärkung mit einem ACH-01 Beschleunigungssensor.

Spikes

Carbide Base

Carbide Base Diamant

Schlussfolgerung

Die Vibrationsisolierung unserer Carbide Base Diamond Fußplatte hat sich mit der neuen 3. Isolationsstufe deutlich verbessert. Indem wir bei der Entwicklung die Umgehung des Übertragungsweges im Auge hatten, konnten wir ein höheres Maß an Vibrationsisolierung und -dämpfung erreichen. Die Vibrationsamplitude und das Abklingen der Vibrationen waren trotz des bereits hohen Leistungsniveaus der Carbide Base messbar besser. Die Verbesserung betraf alle hörbaren Frequenzen, war aber im Bassbereich am deutlichsten.

Referenzen

[1] Kemeny, Zoltan A. “Mechanische Signalfilter”. US 6520283 B2, Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten, 18. Februar 2003. Google Patente, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

[2] Zhang, J., Perez, R. J., and Lavernia, E. J., “Documentation of damping capacity of metallic, ceramic and metal-matrix composite materials”, Journal of Materials Science, vol. 28, Nr. 9, S. 2395-2404, 1993. doi:10.1007/BF01151671