Utilisation d’élastomères à faible facteur de forme

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 haut niveau d’amortissement intrinsèque. 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 :

Facteur de forme =
Surface moyenne chargée
Surface bombée

La surface moyenne chargée est la moyenne des surfaces supérieure et inférieure supportant la charge. 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 une masse 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 la quantité de masse appliquée, et l’axe des x représente la déformation ou la déformation verticale causée par l’application de la masse.

La courbe rouge montre le ViscoRing™ seul, sans boîtier. On peut voir que peu après l’application initiale de la masse, le matériau a commencé à se déformer et à se déformer considérablement sous la charge. Le matériau a mal supporté la moindre masse, ce qui était prévisible compte tenu de son facteur de forme extrêmement faible.

 

Afin d’améliorer la stabilité du ViscoRing™, un logement a été conçu dans la partie supérieure de la semelle, comme le montre le graphique simplifié. Carbide Base pied, comme le montre le graphique simplifié. Des crêtes ont été ajoutées à des intervalles espacés sur le périmètre du ViscoRing™ pour le contreventer et empêcher le flambage. Les crêtes étaient espacées de façon à ce que la surface soit libre de se bomber entre elles, préservant ainsi les avantages 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. Ce facteur de forme croissant avec une augmentation de la masse a donné une fréquence de résonance plus cohérente sur une gamme plus large de masses de charge. Les performances d’isolation de la Carbide Base La performance d’isolation de la semelle est devenue plus constante pour les différentes masses d’appui.

 

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 ou de la déformation verticale avec une application de contrainte ou de masse a été observée. Le matériau ne se déformait pas comme prévu.

 

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. Ceci est important, car une faible rigidité ou taux de ressort est nécessaire pour obtenir une faible fréquence de résonance.

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 nombreuses conceptions intercalent des roulements à billes entre des bagues de roulement incurvées. Les surfaces de roulement incurvées des autres modèles permettent de maintenir les roulements centrés. Ils permettent également de dévier le chemin de transmission de la vibration lorsque les courses supérieure et inférieure se déplacent horizontalement l’une par rapport à l’autre. Cette évasion du chemin de transmission permet une isolation horizontale[1].

 

La conception conçue pour la partie inférieure des Carbide Base Les roulements roulaient sur des bagues plates plutôt que sur des bagues 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, le zirconium a été choisi pour les roulements et l’acier à ressort trempé et poli pour les bagues de roulement. L’isolation horizontale a été réalisée avec un niveau d’amortissement plus élevé que les conceptions précédentes.

Essais de vibrations

Mesure de l’isolation horizontale

Pour évaluer l’amélioration de l’isolation horizontale, une autre expérience a été menée. L’objectif de l’expérience était de quantifier l’amélioration que l’ajout des roulements à billes et des élastomères orientés horizontalement apportait à l’isolation horizontale.

 

Une table de vibration électromagnétique a été utilisée pour générer des vibrations pour l’expérience. La table était commandée numériquement par un écran tactile et des cadrans reliés à des variateurs de fréquence (VFD). Ceux-ci ont été utilisés pour moduler avec précision l’amplitude et la fréquence de vibration de la surface de la table.

 

Quatre Carbide Base pieds avec des ViscoRings™ moyens installés ont été placés sur le dessus de la table de vibration. Une plaque d’aluminium lestée d’une masse totale d’environ 45 kg (100 lbs) a ensuite été boulonnée sur le dessus des semelles. Deux capteurs accéléromètres ACH-01 de Measurement Specialties ont été utilisés pour mesurer les vibrations. Le premier capteur a été fixé avec du ruban adhésif double face sur le bord avant de la table de vibration. Le deuxième capteur a été fixé de la même manière au bord avant de la plaque d’aluminium. Chaque capteur était relié à son propre amplificateur de capteur de vibrations étalonné, qui alimentait à son tour son propre multimètre de table. Les relevésVRMS de chaque multimètre ont été utilisés pour déterminer séparément l’accélération subie par la table et la plaque d’aluminium, avec 1 mVRMS = 1 m/s2 d’accélération.

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. Les valeursVRMS des deux capteurs ont été tracées 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 du capteur de la plaque par la sortie du capteur de la table, on obtient la transmission des vibrations par le biais des Carbide Base 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™ était utilisé pour l’isolation horizontale. 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 les Carbide Base afin d’utiliser de manière fiable des élastomères à faible facteur de forme pour l’isolation des vibrations à basse fréquence. Les élastomères formés dans des facteurs de forme qui étaient auparavant considérés comme trop instables ont été rendus suffisamment stables grâce à un logement correctement conçu. 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.

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