Utilizzo di elastomeri a basso fattore di forma

I polimeri viscoelastici o gli elastomeri sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di controllo delle vibrazioni grazie al loro elevato livello di smorzamento intrinseco. Gli elastomeri possono anche isolare efficacemente le vibrazioni a bassa frequenza grazie alla loro forma. Il fattore di forma è il termine artistico utilizzato per quantificare le prestazioni di isolamento di una determinata forma di elastomero. Ne consegue che più basso è il fattore di forma, più bassa è la frequenza di risonanza potenziale. Una bassa frequenza di risonanza si traduce tipicamente in un’ampia larghezza di banda per l’isolamento dalle vibrazioni. Ciò è dovuto all’isolamento delle frequenze di vibrazione superiori alla frequenza di risonanza.

Per le forme più comuni, il fattore di forma è generalmente definito come:

La superficie media caricata è la media delle superfici superiore e inferiore che supportano il carico. La superficie di rigonfiamento è la superficie libera di rigonfiarsi perpendicolarmente al carico.

La stabilità di un elastomero può essere compromessa al di sotto di un certo fattore di forma, poiché il materiale diventa sempre più alto e stretto. Alcuni produttori di elastomeri raccomandano di non superare un fattore di forma di 0,3 per evitare il buckling, un problema che può causare il ribaltamento dell’apparecchiatura supportata.

Quando si progetta l’elastomero ViscoRing™ elastomero utilizzato nei
Carbide Base
piedini, è stato previsto un fattore di forma di 0,17. Questa scelta è stata fatta per spingere la frequenza di risonanza abbastanza in basso, in modo da isolare efficacemente le frequenze udibili più basse.

Migliorare la stabilità

È stato condotto un esperimento per verificare la capacità del ViscoRing™ di sostenere verticalmente un carico ed evitare l’instabilità. L’esperimento consisteva nell’applicare gradualmente una massa e nel misurare la deformazione verticale del materiale. I pesi sono stati applicati sopra il Medium ViscoRing™ con incrementi di 1,13 kg (2,5 libbre) in un ambiente a temperatura ambiente. La distanza di deformazione verticale è stata tracciata sotto forma di curva sforzo-deformazione. L’asse y rappresenta la sollecitazione o la quantità di massa applicata, mentre l’asse x rappresenta la deformazione verticale causata dall’applicazione della massa.

La curva rossa mostra il ViscoRing™ da solo senza custodia. Si può notare che poco dopo l’applicazione iniziale del peso, il materiale ha iniziato a flettersi e a deformarsi notevolmente sotto il carico. Il materiale non è riuscito a sostenere nemmeno una piccola massa, come era prevedibile dato il suo fattore di forma estremamente basso.

Per migliorare la stabilità del ViscoRing™, è stato progettato un alloggiamento all’interno della porzione superiore del piedistallo, come mostrato nel grafico semplificato. Carbide Base del piedistallo, come mostrato nel grafico semplificato. Sono state aggiunte delle creste a intervalli distanziati lungo il perimetro del ViscoRing™ per rinforzarlo e prevenire la deformazione. Le creste sono state distanziate tra loro in modo che la superficie fosse libera di rigonfiarsi tra di esse, preservando così i vantaggi del basso fattore di forma.

Man mano che il ViscoRing™ si gonfiava verso l’esterno, una percentuale progressivamente maggiore della superficie del rigonfiamento entrava in contatto con le creste inclinate. L’aumento del fattore di forma con l’aumento della massa ha permesso di ottenere una frequenza di risonanza più coerente in una gamma più ampia di masse di carico. Prestazioni di isolamento della Carbide Base è diventata più costante al variare delle masse di supporto con questo design a fattore di forma progressivo.

La curva blu mostra lo stesso ViscoRing™ posizionato nell’alloggiamento della parte superiore del piedino. Carbide Base piedistallo. È stato osservato un aumento relativamente lineare della deformazione o della deformazione verticale con l’applicazione di una sollecitazione o di un peso. Il materiale non si deformava come previsto. La rigidità del materiale, alla fine, è destinata ad aumentare gradualmente con l’aumento delle sollecitazioni, man mano che viene rinforzata una parte maggiore della superficie non caricata. Questo aumenta in modo auspicabile la capacità di sostenere il peso massimo del materiale.

Gli elastomeri non possono essere compressi in un volume più piccolo. Per questo motivo, gli elastomeri devono essere in grado di deformarsi sotto carico. Il ViscoRing™ con rinforzo selettivo non ha mostrato un aumento improvviso della pendenza o della rigidità, come sarebbe accaduto se al materiale fosse stato impedito di rigonfiarsi ulteriormente. Questo è importante, perché per ottenere una bassa frequenza di risonanza è necessaria una bassa rigidità o un basso tasso elastico.

Migliorare l’isolamento orizzontale

Una volta ottenuto il successo nell’utilizzo di un elastomero a basso fattore di forma per l’isolamento verticale, si volevano ottenere vantaggi analoghi per l’isolamento orizzontale. Per migliorare ulteriormente le prestazioni di isolamento orizzontale sono stati incorporati elastomeri a basso fattore di forma orientati orizzontalmente e cuscinetti a sfera.

L’utilizzo di cuscinetti a sfera per garantire l’isolamento orizzontale è un concetto ben noto. Molti progetti prevedono l’interposizione di cuscinetti a sfere tra piste curve. Le superfici curve dei cuscinetti di altri modelli mantengono i cuscinetti centrati. Consentono inoltre di deviare il percorso di trasmissione delle vibrazioni, poiché le corse superiori e inferiori si spostano orizzontalmente l’una rispetto all’altra. Questa elusione del percorso di trasmissione può migliorare l’isolamento dalle vibrazioni[1].

Il progetto ideato per la parte inferiore dei Carbide Base piedini era diverso, in quanto i cuscinetti rotolavano su piste piane anziché curve. Gli elastomeri orientati orizzontalmente hanno agito come molle altamente smorzate, mantenendo il dispositivo centrato in risposta alle vibrazioni. Per ridurre al minimo la deformazione e la resistenza al rotolamento, è stato scelto lo zirconio per i cuscinetti e l’acciaio per molle temprato e lucidato per le piste dei cuscinetti. L’isolamento orizzontale è stato ottenuto con un livello di smorzamento più elevato rispetto ai progetti precedenti.

Grafico dell’isolamento orizzontale

La frequenza di vibrazione in avanti e indietro (asse Y) è stata impostata con incrementi di 10 Hz da 10 Hz a 300 Hz. I valoriVRMS di entrambi i sensori sono stati tracciati ad ogni intervallo. L’ampiezza del tavolo è stata regolata per garantire che il tavolo oscillasse in modo sinusoidale con un’accelerazione di circa 4 m/s2.

Sottraendo l’uscita del sensore della piastra dall’uscita del sensore del tavolo si è ottenuta la trasmissione delle vibrazioni attraverso i piedini. Carbide Base piedini. I valori positivi indicano un’amplificazione delle vibrazioni attraverso il dispositivo. Ciò era previsto a frequenze di vibrazione intorno alla frequenza di risonanza del dispositivo. I valori negativi indicano una riduzione delle vibrazioni generate dal tavolo. In altre parole, l’isolamento delle vibrazioni che si desiderava ottenere. Più il valore è negativo, maggiore è l’isolamento.

La linea rossa mostra le misure effettuate con i Carbide Base piedini senza i cuscinetti a sfera e gli elastomeri orientati orizzontalmente. Per l’isolamento orizzontale è stato utilizzato solo l’elastomero ViscoRing™. La linea blu mostra le misure effettuate con i cuscinetti e gli elastomeri orizzontali in posizione. L’incorporazione di cuscinetti a sfera ed elastomeri orizzontali ha migliorato notevolmente le prestazioni di isolamento orizzontale. La riduzione dell’ampiezza delle vibrazioni è stata particolarmente pronunciata intorno alla frequenza di risonanza, indicando un livello di smorzamento più elevato.

Conclusione

I piedini sono stati progettati in modo da utilizzare elastomeri a basso fattore di forma Carbide Base per utilizzare in modo affidabile gli elastomeri a basso fattore di forma ai fini dell’isolamento dalle vibrazioni a bassa frequenza. Gli elastomeri formati in fattori di forma che in precedenza erano considerati troppo instabili sono stati resi sufficientemente stabili con un alloggiamento adeguatamente progettato. La combinazione aggiuntiva di cuscinetti ed elastomeri orientati orizzontalmente ha migliorato ulteriormente l’isolamento orizzontale. Queste caratteristiche inedite sono state successivamente incorporate in un brevetto in corso di registrazione.

Riferimenti

[1] Kemeny, Zoltan A. “Filtro di segnale meccanico”. US 6520283 B2, Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti, 18 febbraio 2003. Brevetti Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2