Ontwijking van het transmissiepad

Ontwijking van het transmissiepad

 

Tijdens het ontwerpen van onze Carbide Base Diamond voetplaat hebben we experimenten uitgevoerd om de voordelen van het ontwijken van transmissiepaden te kwantificeren. Dit is een concept om de prestaties van trillingsisolatorontwerpen te verbeteren die gebruik maken van kogellagers die in gebogen lagerbanen rollen.

 

Eerst een uitleg over het omzeilen van transmissiepaden. Wanneer een kogellager dat in een gebogen lagerloopbaan rolt een trilling ondervindt, zal trillingsenergie in de vorm van een geluidsgolf het lager binnendringen. De geluidsgolf komt binnen vanaf een punt op het lager dat op dat moment in contact is met het trillende loopvlak. Nadat de geluidsgolf over het lager is gegaan, zal het de andere kant bereiken en zal een groot deel van de energie terugkaatsen naar het punt van binnenkomst.

 

Een lager dat in een theoretisch perfect gebogen loopvlak rolt, zal bij blootstelling aan trillingen een constante onbelemmerde beweging hebben. Tegen de tijd dat de geluidsgolf terugkaatst naar het ingangspunt, is het lager dus waarschijnlijk weggedraaid van zijn positie op het moment dat de geluidsgolf binnenkwam. Omdat het oorspronkelijke ingangspunt niet langer in contact staat met het oppervlak van het toevoerkanaal, wordt het uitgangstraject voor de weerkaatste geluidsgolf afgesneden. De geluidsgolf zal dan breken en zich intern in het lager verspreiden en uiteindelijk als warmte afgeven.

 

Een lagerloopvlak is echter nooit perfect. Een kogellager concentreert de druk in een oneindig klein punt. Deze druk zal onvermijdelijk een inkeping in het lagerloopvlak veroorzaken wanneer er voldoende belasting wordt uitgeoefend. De diameter van de indrukking is afhankelijk van het gewicht van de lading, de straal van het lager, de kromtestraal van het loopvlak en de hardheid van het materiaal van het loopvlak[1].

 

Nadelige effecten van een loopvlakinkeping

De aanwezigheid van een inkeping in het lagerloopvlak beïnvloedt de trillingsisolatieprestaties op 2 manieren negatief:

  1. Het verhoogt de stiction, wat betekent dat het lager meer kracht nodig heeft om in beweging te komen binnen het loopvlak. Hierdoor kan het apparaat minder goed reageren op trillingen met een kleine amplitude en deze dus ook minder goed isoleren.
  2. Het lager blijft in voortdurend contact met de inkeping gedurende een deel van zijn beweging binnen het loopvlak. Als de tijd die in contact met de indrukking wordt doorgebracht langer is dan de tijd die een geluidsgolf nodig heeft om het lager te doorkruisen en weer terug, zal de weerkaatste geluidsgolf terug kunnen komen via de contactlocatie.

Voorbeeld van ontwijking van transmissiepaden

De volgende 2 voorbeelden illustreren de verschillende effecten die de grootte van de looprailinkeping kan hebben op het ontwijken van het transmissiepad.

Transmissiepadontwijking Voorbeeld 1: Kleine inkeping

De rode geluidsgolf van een trilling komt het lager binnen op het contactpunt langs de inkeping. De blauwe geluidsgolf begint over de diameter van het lager te bewegen. Bij het bereiken van het einde reflecteert een deel van de energie terug naar het punt van binnenkomst.

Na korte tijd heeft het bovenste loopvlak zich verplaatst als reactie op de trilling, waardoor het lager roteert. Het lager rolt nu tegen de hellingen van de loopbanen op zodat het oorspronkelijke ingangspunt van de geluidsgolf niet langer in contact is met de loopbaan. Zonder een pad waarlangs de blauwe geluidsgolf terug het loopvlak in kan, weerkaatst hij binnen het lager totdat hij als warmte wordt afgevoerd.

Voorbeeld 2. Ontwijking van transmissiepad Grote inkeping

Net als in voorbeeld 1 hierboven komt de rode geluidsgolf het lager binnen op het contactpunt met de inkeping. De blauwe geluidsgolf plant zich voort over het lager en weerkaatst weer.

De grote inkeping is nog steeds in contact met het punt van binnenkomst tegen de tijd dat de blauwe geluidsgolf teruggekaatst is. De weerkaatste geluidsgolf kan daarom via hetzelfde ingangspunt terug de doorgang in.

Factoren die de ontwijking van transmissiepaden beïnvloeden

Hieronder staan 4 factoren die van invloed zijn op het vermogen van een kogellager om de transmissieroute te ontwijken door in een gebogen loopbaan te rollen. Onder elke factor beschrijven we de ontwerpelementen die we hebben opgenomen in de nieuwe 3e isolatiefase in onze Carbide Base Diamond voet.

Slingerperiode

Een lager dat in een gebogen loopbaan rolt, gedraagt zich als een niet-lineaire slinger. De equivalente slingerlengte is gerelateerd aan het verschil tussen de kromtestraal van het loopvlak en de straal van het lager. Hoe groter het verschil, hoe langer de slinger en dus de periode. Wanneer de periode van de slinger lang is en de inkeping klein, wordt er relatief weinig tijd doorgebracht met het lager in contact met de inkeping.

 

We hebben onze lagerlooprollen zo ontworpen dat ze een grote kromtestraal hebben ten opzichte van de lagerdiameter om een lange slingerperiode te bereiken. Dit is ideaal omdat het de relatieve tijd verkort waarin gereflecteerde geluidsgolven de kans krijgen om het lager te verlaten via het ingangspunt langs de inkeping. Het verlaagt ook de natuurlijke frequentie van de isolator om de isolatie van lage frequenties te verbeteren.

Geluidssnelheid in het lager

De snelheid van het geluid in het materiaal van het lager beïnvloedt de tijd die een geluidsgolf nodig heeft om het lager te doorkruisen en dan terug te keren naar het punt waar het lager binnenkwam. Een materiaal met een lage geluidssnelheid is ideaal, omdat de geluidsgolf er langer over doet om terug te reizen naar het ingangspunt. Hierdoor heeft het lager meer tijd om voorbij de inkeping te draaien voordat de geluidsgolf terugkeert naar het ingangspunt.

 

Van de keramische materialen die vaak voor kogellagers worden gebruikt, valt zirkonia op door zijn lage longitudinale geluidssnelheid. Zirkonia heeft ook betere trillingsdempende eigenschappen dan veel andere keramische materialen[2]. Om deze redenen en omwille van de hoge taaiheid worden zirkoniumdioxide lagers gebruikt in onze hardmetalen voetzool.

Hardheid
Geluidssnelheid
Maximale demping
Lager Diameter

De lagerdiameter dicteert de afstand die de geluidsgolf binnen het lager moet afleggen. Een grote diameter is ideaal omdat dit de afstand en dus de tijd vergroot die de geluidsgolf moet afleggen voordat hij terugkeert naar het ingangspunt.

 

De lagers die gebruikt worden in de nieuwe 3e isolatiefase van de Carbide Base Diamond voetplaat hebben een relatief grote diameter – de grootste die in de behuizing past. Als het groter is, moet het loopvlak zo ondiep worden gemaakt dat het problemen kan opleveren om het lager betrouwbaar gecentreerd te houden.

Racewayhardheid

Een lagerloopring met een hoge hardheid is ideaal omdat deze beter bestand is tegen vervorming door contact met het lager.

Om een hoge hardheid te bereiken, worden de lagerbanen in de 3e isolatiefase van onze Carbide Base Diamond voetmachine met behulp van diamantgereedschap uit massief keramiek bewerkt. Na de bewerking ondergaan de loopbanen een polijstproces om een glad oppervlak te verkrijgen. Het grondige polijsten is bedoeld om oppervlakte-onvolkomenheden te minimaliseren die het vermogen van het kogellager om te rollen als reactie op trillingen met een kleine amplitude zouden kunnen belemmeren.

 

Na het polijsten worden de lagerringen gecoat met amorfe diamant met behulp van een Physical Vapor Deposition (PVD)-proces. Deze buitenlaag heeft een extreme hardheid tot 6500 HV. PVD-diamant heeft ook een lage wrijvingscoëfficiënt van ongeveer 0,10 of ongeveer 1/10e van die van geslepen staal. Dit vermindert de rolweerstand van de lagers in hun loopbanen nog verder.

De indrukking van het lagergedeelte meten

Er werd een experiment uitgevoerd om de indrukking van lagerbanen veroorzaakt door een kogellager te analyseren. Er werd een gewicht van 90 kg (200 lbs.) aangebracht bovenop een zirkonia lager met een diameter van 4 mm dat in loopbanen met vergelijkbare krommingen zat die gemaakt waren van 7075 T6 aluminium, 1095 gehard staal en het PVD gediamanteerde keramiek van onze Carbide Base Diamond voet. Vervolgens werd een microscoop gebruikt om de diameter van de inkeping op de loopvlakoppervlakken van de verschillende materialen te meten.

Materiaal

7075 T6 aluminium

Materiaal

1095 gehard staal

Materiaal

PVD diamant gecoat keramiek

Oppervlaktehardheid

180 HV

Oppervlaktehardheid

830 HV

Oppervlaktehardheid

Tot 6500 HV

Indringdiameter

875 μm

Indringdiameter

254 μm

Indringdiameter

Niet detecteerbaar bij 20x vergroting

Trillingsisolatiemetingen

De volgende metingen zijn gedaan met behulp van een proces dat vergelijkbaar is met ons Overzicht van Audio Footer Ontwerpen. Een 2-weg luidspreker en een subwoofer werden op een betonnen vloer geplaatst. Afzonderlijke nuttige ladingen van 3,6 kg (8 lbs.) werden bovenop 3 Spikes, een Carbide Base voetstuk en een Carbide Base Diamond voetstuk. De Super Light ViscoRing™ werd in beide footers geïnstalleerd. Log geveegde sinus signalen werden vervolgens door de luidspreker en subwoofer afgespeeld. Versnellingsmetersensoren die aan de nuttige ladingen bevestigd waren, werden gebruikt om de horizontale trillingen te meten die door de apparaten gingen.

Luidsprekermetingen

Log geveegde sinusvormige excitatie van 30 Hz tot 8 kHz. Horizontale trillingen gemeten met 20 dB versterking met een versnellingsmetersensor ACH-01.

Spikes
Carbide Base
Hardmetalen basisdiamant

Subwoofer metingen

Log geveegde sinusvormige excitatie van 10 Hz tot 500 Hz. Horizontale trillingen gemeten zonder versterking met een versnellingsmetersensor ACH-01.

Spikes
Carbide Base
Hardmetalen basisdiamant

Conclusie

De trillingsisolatieprestaties van onze Carbide Base Diamond voetplaat zijn duidelijk verbeterd door de toevoeging van de nieuwe 3e isolatiefase. Door bij het ontwerp rekening te houden met het ontwijken van de transmissieroute, konden we een hoger niveau van trillingsisolatie en dissipatie bereiken. De trillingsamplitude en het verval waren meetbaar beter, ondanks het al hoge prestatieniveau van de standaard Carbide Base voet. De verbetering deed zich voor bij alle hoorbare frequenties, maar het meest significant in het lage-tonengebied.

Referenties

[1] Kemeny, Zoltan A. “Mechanisch signaalfilter.” US 6520283 B2, United States Patent and Trademark Office, 18 februari 2003. Google patenten, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

 

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