전송 경로 회피

Carbide Base 다이아몬드 바닥글을 디자인하면서 전송 경로 회피의 이점을 정량화하기 위한 실험을 수행했습니다. 이는 곡선형 베어링 궤도에서 구르는 볼 베어링을 활용하는 제진기 설계의 성능을 개선하기 위한 개념입니다.

먼저 전송 경로 회피에 대해 설명합니다. 곡선형 베어링 궤도에서 구르는 볼 베어링이 진동을 만나면 음파 형태의 진동 에너지가 베어링에 들어갑니다. 음파는 주어진 순간에 진동하는 궤도와 접촉하는 베어링의 한 지점에서 들어옵니다. 음파가 베어링을 통과한 후 반대쪽에 도달하고 많은 에너지가 진입점으로 다시 반사됩니다.

이론적으로 완벽한 곡선 궤도에서 롤링하는 베어링은 진동을 받을 때 방해받지 않고 지속적으로 움직입니다. 따라서 음파가 진입 지점으로 다시 반사될 때쯤이면 베어링은 음파가 진입한 순간 위치에서 멀어져 있을 것입니다. 원래 진입점이 궤도 표면과 더 이상 접촉하지 않으면 반사된 음파의 출구 경로가 절단됩니다. 그런 다음 음파는 베어링 내부에서 굴절 및 분산되어 결국 열로 소실됩니다.

그러나 베어링 궤도는 결코 완벽하지 않습니다. 볼 베어링은 무한히 작은 지점에 압력을 집중시킵니다. 이 압력은 충분한 하중이 가해지면 필연적으로 베어링 궤도에 압입을 유발합니다. 홈의 직경은 페이로드 무게, 베어링 반경, 궤도 곡률 반경 및 궤도 재료의 경도에 따라 달라집니다[1].

Raceway 압입의 역효과

베어링 전동면에 움푹 들어간 부분이 있으면 진동 차단 성능에 두 가지 방식으로 악영향을 미칩니다.

이는 베어링이 궤도 내에서 움직이기 위해 더 많은 힘이 필요함을 의미하는 마찰력을 증가시킵니다. 이것은 장치가 작은 진폭으로 진동에 반응하여 격리하는 능력을 감소시킵니다.
베어링은 전동면 내에서 운동하는 동안 만입부와 지속적인 접촉을 유지합니다. 홈과 접촉하는 시간이 음파가 베어링을 가로질러 다시 되돌아오는 데 걸리는 시간보다 길면 반사된 음파가 홈 접촉 위치를 통해 다시 빠져나갈 수 있습니다.

전송 경로 회피 예

다음 두 가지 예는 레이스웨이 만입 크기가 전송 경로 회피에 미칠 수 있는 다양한 영향을 보여줍니다.

전송 경로 회피 예제 1: 작은 들여쓰기

진동의 붉은 음파는 압흔을 따라 접촉점에서 베어링으로 들어갑니다. 파란색 음파가 베어링 직경을 가로질러 이동하기 시작합니다. 끝에 도달하면 일부 에너지가 진입 지점으로 다시 반사됩니다.

짧은 시간이 지나면 상부 궤도가 진동에 반응하여 변위되어 그 과정에서 베어링이 회전합니다. 베어링은 이제 음파의 원래 진입 지점이 더 이상 궤도와 접촉하지 않도록 궤도의 경사면을 감아 올립니다. 파란색 음파가 레이스웨이로 다시 나가는 경로가 없으면 열로 소산될 때까지 베어링 내에서 반사됩니다.

전송 경로 회피 예제 2: 큰 들여쓰기

위의 예 1과 유사하게 빨간색 음파가 압흔과 접촉하는 지점에서 베어링으로 들어갑니다. 파란색 음파는 베어링을 가로질러 전파되고 다시 반사됩니다.

파란 음파가 다시 반사될 때까지 큰 움푹 들어간 부분은 여전히 진입 지점과 접촉하고 있습니다. 따라서 반사된 음파는 동일한 진입 지점을 통해 궤도로 다시 통과할 수 있습니다.

전송 경로 회피에 영향을 미치는 요인

다음은 곡선 궤도에서 구름하는 볼 베어링의 전달 경로 회피 능력에 영향을 미치는 4가지 요소입니다. 각 요인 아래에서 Carbide Base Diamond 바닥글의 새로운 3차 격리 단계에 통합한 설계 요소를 설명합니다.

진자 기간

곡선 궤도에서 롤링하는 베어링은 비선형 진자처럼 작동합니다. 등가 진자 길이는 궤도면의 곡률 반경과 베어링 반경의 차이와 관련이 있습니다. 차이가 클수록 진자의 길이와 주기가 길어집니다. 진자의 주기가 길고 압흔이 작은 경우 베어링이 압흔과 접촉하는 시간은 상대적으로 적습니다.

긴 진자 주기를 달성하기 위해 베어링 직경에 비해 큰 곡률 반경을 갖도록 베어링 궤도를 설계했습니다. 이는 반사된 음파가 만입부를 따라 진입점을 통해 베어링을 빠져나갈 기회를 갖는 상대적인 시간을 줄이기 때문에 이상적입니다. 또한 아이솔레이터의 고유 주파수를 낮추어 저주파의 격리를 개선합니다.

베어링의 음속

베어링 재질의 음속은 음파가 베어링을 통과한 다음 진입점으로 되돌아가는 데 걸리는 시간에 영향을 미칩니다. 음파가 진입 지점으로 다시 이동하는 데 더 오래 걸리므로 음속이 낮은 재료가 이상적입니다. 이렇게 하면 음파가 진입점으로 돌아오기 전에 베어링이 움푹 들어간 부분을 지나 회전하는 데 더 많은 시간이 허용됩니다.

볼 베어링에 일반적으로 사용되는 세라믹 중에서 지르코니아는 종방향 음속이 낮다는 점이 두드러집니다. 지르코니아는 또한 다른 많은 세라믹보다 더 나은 진동 감쇠 특성을 가지고 있습니다 [2] . 지르코니아 베어링이 Carbide Base 바닥글 전체에 사용되는 것은 높은 인성 외에도 이러한 이유 때문입니다.

경도

음속

최대 댐핑

베어링 직경

베어링 직경은 음파가 베어링 내에서 이동해야 하는 거리를 나타냅니다. 큰 직경은 음파가 진입 지점으로 돌아오기 전에 이동해야 하는 거리와 시간을 증가시키므로 이상적입니다.

Carbide Base 다이아몬드 풋터의 새로운 3번째 절연 단계에 사용된 베어링은 하우징에 들어갈 수 있는 가장 큰 직경으로 비교적 큰 직경을 가지고 있습니다. 더 크고 레이스웨이는 베어링을 안정적으로 중앙에 유지하는 데 문제가 있을 수 있도록 너무 얕아야 합니다.

경마장 경도

경도가 높은 베어링 전동면은 베어링과의 접촉으로 인한 변형에 더 잘 견디기 때문에 이상적입니다.

높은 경도를 달성하기 위해 Carbide Base Diamond 바닥글의 3차 격리 단계에 있는 베어링 레이스웨이는 다이아몬드 공구를 사용하여 단단한 세라믹으로 가공됩니다. 가공 후 레이스웨이는 매끄러운 표면 마감을 위해 연마 공정을 거칩니다. 철저한 연마는 볼 베어링이 작은 진폭 진동에 반응하여 구르는 능력을 방해할 수 있는 표면 결함을 최소화하는 것입니다.

연마 후 베어링 레이스는 PVD(Physical Vapor Deposition) 공정을 사용하여 무정형 다이아몬드로 코팅됩니다. 이 외층은 최대 6500HV의 극한 경도를 가집니다. PVD 다이아몬드는 또한 마찰 계수가 약 0.10 또는 연마된 강철의 약 1/10로 낮습니다. 이는 궤도 내에서 베어링의 회전 저항을 더욱 감소시킵니다.

베어링 궤도 압흔 측정

볼베어링에 의한 베어링 전동면의 압흔을 해석하기 위한 실험을 하였다. 90kg(200lbs.) 추를 7075 T6 알루미늄, 1095 경화강 및 Carbide Base Diamond 바닥글의 PVD 다이아몬드 코팅 세라믹으로 만든 유사한 곡률을 가진 레이스웨이에 있는 4mm 직경의 지르코니아 베어링 위에 가했습니다. 그런 다음 현미경을 사용하여 다양한 재료의 궤도 표면에 있는 만입부의 직경을 측정했습니다.

재료

7075 T6 알루미늄

표면 경도

180HV

압입 직경

875μm

재료

1095 경화강

표면 경도

830HV

압입 직경

254μm

재료

PVD 다이아몬드 코팅 세라믹

표면 경도

최대 6500HV

압입 직경

20x 배율에서는 감지할 수 없음

진동 차단 측정

다음 측정은 Survey of Audio Footer Designs 와 유사한 프로세스를 사용하여 수행되었습니다. 2웨이 라우드스피커와 서브우퍼는 콘크리트 바닥에 놓였습니다. 별도의 3.6kg(8lbs.) 페이로드를 3개의 스파이크, Carbide Base 바닥글 및 Carbide Base 다이아몬드 바닥글 위에 배치했습니다. 슈퍼 라이트 비스코링™이 양쪽 바닥글에 설치되었습니다. 그런 다음 로그 스윕 사인 신호가 라우드스피커와 서브우퍼를 통해 재생되었습니다. 페이로드에 부착된 가속도계 센서는 장치를 통과하는 수평 진동을 측정하는 데 사용되었습니다.

확성기 측정

30Hz에서 8kHz까지 스윕 사인 여기를 기록합니다. ACH-01 가속도계 센서를 사용하여 20dB 게인으로 측정한 수평 진동.

스파이크

Carbide Base

Carbide Base 다이아몬드

서브우퍼 측정

10Hz에서 500Hz까지 스윕 사인 여기를 기록합니다. ACH-01 가속도계 센서를 사용하여 이득 없이 측정된 수평 진동.

스파이크

Carbide Base

Carbide Base 다이아몬드

결론

Carbide Base 다이아몬드 바닥판의 진동 차단 성능은 새로운 3번째 차단 단계가 추가되면서 현저하게 개선된 것으로 나타났습니다. 전송 경로 회피를 염두에 두고 설계함으로써 더 높은 수준의 진동 차단 및 소멸을 달성할 수 있었습니다. 표준 Carbide Base 바닥글의 이미 높은 성능 수준에도 불구하고 진동 진폭과 감쇠는 측정할 수 있을 정도로 더 뛰어났습니다. 개선은 모든 가청 주파수에 걸쳐 있었지만 저음 영역에서 가장 두드러졌습니다.

참고문헌

[1] Kemeny, Zoltan A. “기계적 신호 필터.” US 6520283 B2, 미국 특허상표청, 2003년 2월 18일. 구글 특허, https://patents.google.com/patent/US6520283B2

[2] Zhang, J., Perez, RJ 및 Lavernia, EJ, “금속, 세라믹 및 금속 매트릭스 복합 재료의 감쇠 용량 문서” , Journal of Materials Science, vol. 28, 아니. 9, pp. 2395–2404, 1993. doi:10.1007/BF01151671