Verwendung von Elastomeren mit niedrigem Formfaktor

Viskoelastische Polymere oder Elastomere werden aufgrund ihres hohen Dämpfungsgrades häufig in der Schwingungstechnik eingesetzt. Elastomere können auch niederfrequente Schwingungen wirksam isolieren, indem sie in bestimmte Formen gebracht werden. Der Formfaktor ist der Fachbegriff für die Quantifizierung der Isolationsleistung einer bestimmten Elastomerform. Daraus folgt, dass die potenzielle Resonanzfrequenz umso niedriger ist, je niedriger der Formfaktor ist. Eine niedrige Resonanzfrequenz führt in der Regel zu einer großen Bandbreite der Schwingungsisolierung. Dies ist auf die Isolierung der Schwingungsfrequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz zurückzuführen.

Für die meisten gängigen Formen ist der Formfaktor im Allgemeinen wie folgt definiert:

Die durchschnittlich belastete Fläche ist der Durchschnitt der oberen und unteren Fläche, die die Last tragen. Die Ausbeulfläche ist die Fläche, die sich senkrecht zur Last ausbeulen kann.

Die Stabilität eines Elastomers kann unterhalb eines bestimmten Formfaktors beeinträchtigt werden, wenn das Material immer höher und schmaler wird. Einige Elastomerhersteller empfehlen, einen Formfaktor von 0,3 nicht zu überschreiten, um ein Ausknicken zu verhindern – ein Problem, das zum Umkippen der gestützten Geräte führen kann.

Bei der Konstruktion des ViscoRing™ Elastomers, das in den
Carbide Base
Sockeln verwendeten Elastomers wurde ein Formfaktor von 0,17 vorgesehen. Dies wurde gewählt, um die Resonanzfrequenz so weit nach unten zu drücken, dass die niedrigsten hörbaren Frequenzen wirksam isoliert werden können.

Verbesserung der Stabilität

Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die Fähigkeit des ViscoRing™ zu testen, eine Last vertikal zu tragen und ein Ausknicken zu vermeiden. Der Versuch bestand darin, schrittweise Masse aufzubringen und die vertikale Verformung des Materials zu messen. Die Gewichte wurden in Schritten von 1,13 kg (2,5 lbs) bei Raumtemperatur auf dem Medium ViscoRing™ angebracht. Der vertikale Verformungsabstand wurde in Form der abgebildeten Spannungs-Dehnungs-Kurve aufgetragen. Die y-Achse stellt die Spannung oder die Menge der aufgebrachten Masse dar, die x-Achse die Dehnung oder vertikale Verformung, die durch die aufgebrachte Masse verursacht wird.

Die rote Kurve zeigt den ViscoRing™ allein ohne Gehäuse. Es ist zu erkennen, dass das Material kurz nach der ersten Belastung anfing, sich unter der Last stark zu verformen und zu verbiegen. Das Material trug selbst eine kleine Masse nur schlecht, was angesichts des extrem niedrigen Formfaktors zu erwarten war.

Um die Stabilität des ViscoRing™ zu verbessern, wurde für ihn ein Gehäuse im oberen Teil des Carbide Base Fußes entwickelt, wie in der vereinfachten Grafik dargestellt. Um den ViscoRing™ zu versteifen und ein Ausknicken zu verhindern, wurden in bestimmten Abständen Rippen am Umfang angebracht. Die Rippen waren so weit voneinander entfernt, dass sich die Oberfläche zwischen ihnen auswölben konnte, so dass die Vorteile des niedrigen Formfaktors erhalten blieben.

Wenn sich der ViscoRing™ nach außen wölbt, kommt ein immer größerer Anteil der gewölbten Oberfläche mit den schrägen Rippen in Kontakt. Dieser mit zunehmender Masse steigende Formfaktor führte zu einer gleichmäßigeren Resonanzfrequenz über einen breiteren Bereich von Lastmassen. Die Isolierleistung der Carbide Base wurde mit diesem progressiven Formfaktor-Design konstanter bei unterschiedlichen Stützmassen.

Die blaue Kurve zeigt denselben ViscoRing™, der im Gehäuse des oberen Teils des Carbide Base Fußteils. Es wurde ein relativ linearer Anstieg der Dehnung oder vertikalen Verformung bei der Anwendung von Spannung oder Gewicht beobachtet. Das Material wölbte sich nicht wie vorgesehen. Die Steifigkeit des Materials nimmt mit zunehmender Spannung allmählich zu, wenn mehr von der unbelasteten Oberfläche verspannt wird. Dadurch wurde die maximale Tragfähigkeit des Materials erhöht.

Elastomere lassen sich nicht auf ein kleineres Volumen komprimieren. Daher müssen sich Elastomere nach außen wölben können, um sich unter Belastung zu verformen. Der selektiv verspannte ViscoRing™ zeigte keinen plötzlichen Anstieg der Neigung oder Steifigkeit, wie es der Fall gewesen wäre, wenn das Material am weiteren Ausbeulen gehindert worden wäre. Dies ist wichtig, da eine niedrige Steifigkeit oder Federrate erforderlich ist, um eine niedrige Resonanzfrequenz zu erreichen.

Verbesserung der horizontalen Isolierung

Nachdem es gelungen war, ein Elastomer mit niedrigem Formfaktor für die vertikale Isolierung zu verwenden, wurden ähnliche Vorteile für die horizontale Isolierung gewünscht. Horizontal ausgerichtete Elastomere mit niedrigem Formfaktor wurden zusammen mit Kugellagern eingebaut, um die horizontale Isolationsleistung weiter zu verbessern.

Die Verwendung von Kugellagern für die horizontale Isolierung ist ein bekanntes Konzept. Bei vielen Konstruktionen werden Kugellager zwischen gekrümmten Lagerringen eingesetzt. Die gekrümmten Lagerflächen anderer Konstruktionen halten die Lager zentriert. Sie ermöglichen auch eine Umlenkung des Übertragungsweges der Schwingungen, da sich der obere und der untere Laufring horizontal zueinander bewegen. Diese Umgehung des Übertragungsweges kann die Schwingungsisolierung verbessern[1].

Die Konstruktion für den unteren Teil der Carbide Base war anders, da die Lager auf flachen und nicht auf gebogenen Laufbahnen rollten. Die horizontal ausgerichteten Elastomere wirkten wie stark gedämpfte Federn, die das Gerät bei Vibrationen in der Mitte halten. Um die Verformung und den Rollwiderstand zu minimieren, wurde Zirkonium für die Lager und polierter, gehärteter Federstahl für die Lagerringe gewählt. Die horizontale Isolierung wurde mit einem höheren Dämpfungsgrad als bei früheren Konstruktionen erreicht.

Horizontale Isolierung grafisch darstellen

Die Vorwärts- und Rückwärtsschwingungsfrequenz (Y-Achse) wurde in 10-Hz-Schritten von 10 Hz bis 300 Hz eingestellt. DieVRMS-Werte der beiden Sensoren wurden für jedes Intervall aufgezeichnet. Die Amplitude des Tisches wurde so eingestellt, dass der Tisch sinusförmig mit einer Beschleunigung von etwa 4 m/s2 schwingt.

Die Subtraktion des Ausgangs des Plattensensors vom Ausgang des Tischsensors ergab die Übertragung von Schwingungen durch die Carbide Base Standfüße. Positive Werte wiesen auf eine Verstärkung der Vibrationen durch das Gerät hin. Dies war bei Schwingungsfrequenzen um die Resonanzfrequenz des Geräts zu erwarten. Negative Werte bedeuten eine Verringerung der vom Tisch erzeugten Vibrationen. Mit anderen Worten: eine erwünschte Isolierung von Schwingungen. Je negativer der Wert ist, desto größer ist die Isolation.

Die rote Linie zeigt Messungen, bei denen die Carbide Base Fußteile ohne Kugellager und horizontal ausgerichtete Elastomere. Für die horizontale Isolierung wurde nur das ViscoRing™ verwendet. Die blaue Linie zeigt Messungen, die mit eingebauten Lagern und horizontalen Elastomeren durchgeführt wurden. Durch den Einbau von Kugellagern und horizontalen Elastomeren wurde die horizontale Isolationsleistung erheblich verbessert. Die Verringerung der Schwingungsamplitude war im Bereich der Resonanzfrequenz besonders ausgeprägt, was auf eine höhere Dämpfung hinweist.

Schlussfolgerung

Mehrere Konstruktionsmerkmale wurden in die Carbide Base Fußteile wurden mehrere Konstruktionsmerkmale eingebaut, um Elastomere mit niedrigem Formfaktor zuverlässig zur Isolierung von niederfrequenten Schwingungen zu nutzen. Elastomere, die in Formfaktoren geformt wurden, die zuvor als zu instabil galten, konnten mit einem richtig konzipierten Gehäuse ausreichend stabil gemacht werden. Durch die zusätzliche Kombination von Lagern und horizontal ausgerichteten Elastomeren wurde die horizontale Isolierung weiter verbessert. Diese neuen Merkmale wurden später in ein anhängiges Patent aufgenommen.

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