传输路径规避

传输路径规避

 

在设计Carbide BaseDiamond 底脚时,我们进行了实验,以量化规避传输路径的好处。 这是一种改进隔振器性能的概念,隔振器设计使用了在弯曲轴承滚道中滚动的球轴承。

 

首先,解释传输路径规避。 当滚珠轴承在弯曲的轴承滚道中滚动时遇到振动,振动能量以声波的形式进入轴承。 声波从轴承上与振动滚道接触的点进入。 声波穿过轴承后将到达另一侧,大部分能量将反射回进入点。

 

在理论上完美的弧形滚道中滚动的轴承在受到振动时将保持恒定的无阻碍运动。 因此,当声波反射回进入点时,轴承很可能已经从声波进入时的位置旋转开了。 由于原声波进入点不再与滚道表面接触,反射声波的出口路径被切断。 声波将在轴承内部折射和发散,最终以热量形式散失。

 

然而,轴承滚道并非完美无缺。 滚珠轴承将压力集中在一个无限小的点上。 当施加足够的载荷时,这种压力将不可避免地在轴承滚道中造成压痕。 压痕直径取决于有效载荷重量、轴承半径、滚道曲率半径和滚道材料硬度[1]

 

滚道压痕的不利影响

轴承滚道中压痕的存在从两个方面对隔振性能产生不利影响:

  1. 它增加了粘滞性,意味着轴承需要更大的力才能在滚道内运动。 这降低了设备对小振幅振动的响应能力和隔离能力。
  2. 轴承在滚道内的部分运动过程中将与压痕保持持续接触。 如果与压痕接触的时间长于声波穿过轴承再返回所需的时间,反射声波就能从入口接触位置返回。

传输路径规避示例

以下两个示例说明了滚道压痕尺寸对传输路径规避的不同影响。

传输路径规避示例1:小压痕

红色的振动声波沿压痕进入轴承的接触点。 蓝色声波开始穿越轴承直径。 当到达终点时,一些能量会反射回进入点。

经过很短的时间后,上滚道在振动的作用下发生位移,轴承在此过程中发生旋转。 轴承现在沿着滚道的斜面滚动,声波的原始进入点不再与滚道接触。 如果蓝色声波没有返回滚道的路径,它就会在轴承内反射,直到作为热量散失。

传输路径规避示例 2:大压痕

与上述示例1类似,红色声波在与压痕接触处进入轴承。 蓝色声波在轴承上传播并反射回来。

蓝色声波反射回来时,大压痕仍与进入点接触。 因此,反射声波能够通过相同的进入点返回到滚道中。

影响传输路径规避的因素

以下是影响球轴承在弯曲滚道中滚动时传递路径规避能力的4个因素。 在每个因素下,我们描述了我们在Carbide Base金刚石底脚新的第三隔离级中采用的设计元素。

摆周期

在弯曲滚道中滚动的轴承就像一个非线性摆锤。 等效摆杆长度与滚道曲率半径和轴承半径之差有关。 差值越大,摆长越长,因此周期越长。 当摆锤周期较长而压痕较小时,轴承与压痕接触的时间相对较短。

 

我们设计的轴承滚道相对于轴承直径具有较大的曲率半径,以实现较长的摆动周期。 这是最理想的,因为它减少了反射声波有机会通过沿压痕的切入点逃离轴承的相对时间。 它还降低了隔振器的固有频率,从而提高了对低频的隔振效果。

轴承内声速

轴承材料中的声速将影响声波穿过轴承并返回进入点所需的时间。 声速低的材料是理想的选择,因为声波需要更长的时间才能传回入口点。 这样,在声波返回入口点之前,轴承有更多的时间转过压痕。

 

在常用的球轴承陶瓷中,氧化锆以其纵向声速低而著称。 氧化锆的减振性能也优于许多其他陶瓷[2]。 正是由于这些原因以及高韧性,我们的Carbide Base脚采用了氧化锆轴承。

硬度
声速
最大阻尼
轴承直径

轴承直径决定了声波在轴承内的传播距离。 大直径是理想的选择,因为它增加了声波在返回入口点之前必须经过的距离和时间。

 

Carbide Base金刚石底脚的新型第三隔离级所使用的轴承直径相对较大,是轴承座中最大的直径。 再大,滚道就必须做得很浅,以至于轴承难以保持可靠的中心位置。

滚道硬度

高硬度的轴承滚道是理想的选择,因为它能更好地抵抗与轴承接触时产生的变形。

为了达到高硬度,我们的Carbide Base金刚石底脚第三隔离级的轴承滚道是用金刚石工具在实心陶瓷上加工而成的。 加工后,滚道经过抛光处理,以获得光滑的表面光洁度。 彻底抛光是为了最大限度地减少表面缺陷,这些缺陷可能会影响球轴承在小振幅振动下的滚动能力。

 

抛光后,采用物理气相沉积(PVD)工艺在轴承滚道上镀一层无定形金刚石。 外层硬度高达6500 HV。 PVD金刚石的摩擦系数也很低,约为0.10或抛光钢的1/10。 这进一步降低了轴承在滚道内的滚动阻力。

轴承滚道压痕测量

对滚珠轴承引起的轴承滚道压痕进行了实验分析。 90公斤(200磅)的砝码被放置在直径为4毫米的氧化锆轴承上,该轴承位于由7075 T6铝、1095硬化钢和我们的硬质合金Carbide Base金刚石Carbide Base的PVD金刚石涂层陶瓷制成的具有类似曲率的滚道中。 然后用显微镜测量各种材料滚道表面的压痕直径。

材料

7075 T6 铝

表面硬度

180 HV

压痕直径

875 μm

材料

1095硬化钢

表面硬度

830 HV

压痕直径

254 μm

材料

PVD 金刚石涂层陶瓷

表面硬度

最高 6500 HV

压痕直径

20倍放大镜下无法检测

隔振测量

以下测量方法与我们的音频脚架设计调查类似。 一个2分频扬声器和一个低音炮被放置在混凝土地板上。 分别将3.6千克(8磅)有效载荷放置在3个尖顶、一个Carbide Base脚和一个Carbide Base金刚石Carbide Base上。 Super Light ViscoRing™ 安装在两个地脚。 然后通过扬声器和低音炮播放对数正弦扫频信号。 连接在有效载荷上的加速度传感器用于测量通过设备的水平振动。

扬声器测量

对数扫频正弦激励,频率为30 Hz至8 kHz。 使用ACH-01加速度传感器以20分贝增益测量水平振动。

尖峰
Carbide Base
Carbide Base金刚石

低音炮测量

对数扫频正弦激励,频率范围为10 Hz至500 Hz。 使用ACH-01加速度传感器测量的无增益水平振动。

尖峰
Carbide Base
Carbide Base金刚石

结论

增加了新的第三级隔振装置后,我们的Carbide Base金刚石底脚的隔振性能有了明显改善。 通过在设计时考虑到传输路径的规避,我们能够实现更高水平的振动隔离和消散。 尽管标准Carbide Base的性能水平已经很高,但振动幅度和衰减仍明显改善。 所有可听频率均有改善,但低音区的改善最为显著。

参考

[1] Kemeny, Zoltan A. “机械信号滤波器”。 US 6520283 B2,美国专利商标局,2003 年 2 月 18 日。 谷歌专利, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

 

[2] Zhang, J., Perez, R. J., and Lavernia, E. J.,“Documentation of damping capacity of metallic, ceramic and metal-matrix composite materials”, Journal of Materials Science, vol. No. 28, no. 9, pp. doi:10.1007/BF01151671