Utilisation d’élastomères à faible facteur de forme
Les polymères ou élastomères viscoélastiques sont largement utilisés dans les applications de contrôle des vibrations en raison de leur capacité d’amortissement élevée. Les élastomères peuvent également isoler efficacement les vibrations à basse fréquence en étant formés dans certaines formes. Le facteur de forme est le terme technique utilisé pour quantifier les performances d’isolation d’une forme d’élastomère donnée. Il en résulte que plus le facteur de forme est faible, plus la fréquence de résonance potentielle est basse. Une faible fréquence de résonance se traduit généralement par une large bande passante d’isolation des vibrations. Ceci est dû à l’isolation des fréquences de vibration supérieures à la fréquence de résonance.
Pour les formes les plus courantes, le facteur de forme est généralement défini comme suit :
La surface moyenne chargée est la moyenne des surfaces supérieure et inférieure supportant la charge utile. La surface de renflement est la surface libre de renflement perpendiculairement à la charge.
La stabilité d’un élastomère peut être compromise en dessous d’un certain facteur de forme, lorsque le matériau devient de plus en plus haut et étroit. Certains fabricants d’élastomères recommandent de ne pas dépasser un facteur de forme de 0,3 afin d’éviter le flambage, qui peut faire basculer l’équipement supporté.
Lors de la conception de l’élastomère ViscoRing™ élastomère utilisé dans les
Carbide Base
pieds, un facteur de forme de 0,17 a été prévu. Ce choix a été fait afin de pousser la fréquence de résonance suffisamment bas pour que les fréquences audibles les plus basses puissent être isolées efficacement.
Améliorer la stabilité
Une expérience a été menée pour tester la capacité du ViscoRing™ à supporter verticalement une charge et à éviter le flambage. L’expérience consistait à appliquer progressivement un poids et à mesurer la déformation verticale du matériau. Des poids ont été appliqués sur le dessus du ViscoRing™ moyen par incréments de 1,13 kg (2,5 lbs) dans un environnement à température ambiante. La distance de déformation verticale a été tracée sous la forme de la courbe contrainte-déformation illustrée. L’axe des y représente la contrainte ou le poids appliqué, et l’axe des x représente la déformation verticale causée par l’application du poids.
La courbe rouge montre le ViscoRing™ seul, sans boîtier. On peut voir que peu après l’application initiale du poids, le matériau a commencé à se déformer et à se déformer considérablement sous la charge. Le matériau n’a pas réussi à supporter la moindre masse, ce qui était prévisible compte tenu du facteur de forme extrêmement faible.
Pour améliorer la stabilité du ViscoRing™, un logement a été conçu dans la partie supérieure de la Carbide Base comme le montre le graphique simplifié ci-dessus. Des crêtes ont été ajoutées à des intervalles espacés sur le périmètre du ViscoRing™ pour le contreventer et empêcher le flambage. Les stries étaient espacées à des distances variables de l’extérieur du ViscoRing™. Cela permet de libérer une surface importante pour le renflement vers l’extérieur, préservant ainsi une grande partie de l’avantage en termes de performances du faible facteur de forme.
Au fur et à mesure que le ViscoRing™ se bombe vers l’extérieur, un pourcentage progressivement plus important de la surface du bombement entre en contact avec les crêtes inclinées. Cette augmentation du facteur de forme avec l’augmentation de la masse de la charge utile a permis d’obtenir une fréquence de résonance plus cohérente sur une plus large gamme de masses de la charge utile. En d’autres termes, la performance d’isolation de la Carbide Base est devenue plus constante pour différents poids de charge utile grâce à cette conception à facteur de forme progressif.
La courbe bleue montre le même ViscoRing™ placé dans le logement de la partie supérieure du Carbide Base pied. Une augmentation relativement linéaire de la déformation verticale avec l’application d’un poids a été observée. Le matériau ne se déformait pas comme prévu. La rigidité du matériau finit par augmenter progressivement avec l’augmentation de la contrainte, à mesure qu’une plus grande partie de la surface non chargée est contreventée. Cela a augmenté de manière souhaitable la capacité de support du poids maximal du matériau.
Les élastomères ne peuvent pas être comprimés dans un volume plus petit. Par conséquent, les élastomères doivent pouvoir être bombés vers l’extérieur afin de se déformer sous une charge. Le ViscoRing™ sélectivement contreventé n’a pas présenté une augmentation soudaine de la pente ou de la rigidité, comme cela aurait été le cas si le matériau avait été empêché de se bomber davantage. Une faible rigidité ou un faible taux de ressort est important pour obtenir une faible fréquence de résonance avec un système de masse-ressort comme celui-ci.
Améliorer l’isolation horizontale
Après avoir réussi à utiliser un élastomère à faible facteur de forme pour l’isolation verticale, on souhaitait obtenir des avantages similaires pour l’isolation horizontale. Des élastomères à faible facteur de forme orientés horizontalement et des roulements à billes ont été incorporés pour améliorer encore les performances d’isolation horizontale.
L’utilisation de roulements à billes pour assurer une isolation horizontale est un concept bien connu. De nombreux modèles intercalent des roulements à billes entre des chemins de roulement incurvés[1].
La conception de la partie inférieure de la Carbide Base était différente, les chemins de roulement étant plats plutôt que courbes. Les élastomères orientés horizontalement agissent comme des ressorts hautement amortis qui maintiennent le dispositif centré en réponse aux vibrations. Afin de minimiser la déformation et la résistance au roulement, la zircone a été choisie pour les roulements et l’acier à ressort trempé et poli pour les chemins de roulement.
Graphique de l’isolement horizontal
La fréquence de vibration avant et arrière (axe Y) a été réglée par incréments de 10 Hz, de 10 Hz à 300 Hz. La tension de sortie des deux capteurs a été tracée à chaque intervalle. L’amplitude de la table a été ajustée pour s’assurer que la table oscille de manière sinusoïdale avec une accélération d’environ 4 m/s2.
En soustrayant la sortie des capteurs, on obtient la transmission des vibrations à travers la base en carbure. Carbide Base des pieds. Les valeurs positives indiquent une amplification des vibrations à travers le dispositif. Ce phénomène était attendu à des fréquences de vibration proches de la fréquence de résonance du dispositif. Les valeurs négatives indiquent une réduction des vibrations générées par la table. En d’autres termes, une isolation des vibrations qui était souhaitée. Plus la valeur est négative, plus l’isolement est important.
La ligne rouge montre les mesures prises avec les Carbide Base pieds sans les roulements à billes et les élastomères orientés horizontalement. Seul l’élastomère ViscoRing™ assurait l’isolation. La ligne bleue montre les mesures prises avec les roulements et les élastomères horizontaux en place. L’incorporation de roulements à billes et d’élastomères horizontaux a considérablement amélioré les performances d’isolation horizontale. La réduction de l’amplitude des vibrations était particulièrement prononcée autour de la fréquence de résonance, ce qui indique un niveau d’amortissement plus élevé.
Conclusion
Plusieurs caractéristiques de conception ont été incorporées dans la Carbide Base afin d’utiliser de manière fiable des élastomères à faible facteur de forme pour l’isolation des vibrations. Les élastomères formés dans des facteurs de forme qui étaient auparavant considérés comme trop instables ont été rendus suffisamment stables grâce à un boîtier spécialement conçu à cet effet. La combinaison supplémentaire de roulements et d’élastomères orientés horizontalement a encore amélioré l’isolation horizontale. Ces nouvelles caractéristiques ont ensuite été intégrées dans un brevet en instance.
