Proprietà dei materiali di smorzamento e loro utilizzo

Gli ingegneri meccanici si affidano ai materiali di smorzamento in caso di vibrazioni, oscillazioni, urti o rumori indesiderati. Se queste vibrazioni rimangono incontrollate, possono causare perdite di precisione, usura prematura del materiale e persino la distruzione della macchina. Di conseguenza i materiali di smorzamento non solo aumentano la vita utile e le prestazioni delle macchine, ma spesso le proteggono anche dai danni. Oltre a schiume, feltro e gomma, anche le materie plastiche speciali vengono utilizzate per la produzione di materiali ammortizzanti. Questo articolo del blog fornisce una panoramica dei vari materiali di smorzamento e sul loro utilizzo.

Cos’è una vibrazione?

Da un punto di vista puramente fisico una vibrazione è un cambiamento periodico basato sul tempo di un parametro fisico intorno al suo stato di equilibrio. La vibrazione può essere descritta in base ai parametri di ampiezza, frequenza e fase o angolo di fase. Una vibrazione è una vibrazione meccanica periodica che di solito può anche essere udita e percepita. Le oscillazioni o le vibrazioni meccaniche si verificano più comunemente sui componenti rotanti e oscillanti.

Esistono diverse forme di vibrazione:

• Armoniche: Il grafico basato sul tempo è descritto da una funzione seno o coseno, senza smorzamento o effetti analoghi. Influenze esterne.
• Eccitate: Una vibrazione eccitata da una forza periodica esterna (ampiezza crescente).  La vibrazione dell’eccitatore rientra nell’intervallo di risonanza dell’oscillazione naturale. Più la frequenza di eccitazione si avvicina alla frequenza naturale, più forte è la risonanza risultante.
• Smorzate: L’ampiezza di una vibrazione smorzata diminuisce nel tempo a causa di perdite di energia, per esempio per attrito o smorzamento.

Oscillazione naturale e risonanza

Una cosiddetta oscillazione naturale si verifica quando una forza esterna agisce una volta su un corpo deformabile elasticamente. Questa oscillazione naturale è causata dalla forza di ritorno, che è proporzionale alla deviazione e riporta il corpo al suo stato di equilibrio.

Se forze impulsive con la stessa frequenza dell’eccitatore agiscono sul corpo oltre all’oscillazione naturale, quest’ultima e l’oscillazione dell’eccitatore si sovrappongono, generando un’ampiezza maggiore e dando origine a un cosiddetto picco di oscillazione. Ciò può causare danni al sistema. È qui che entrano in gioco lo smorzamento delle vibrazioni e i materiali isolanti.

Puoi anche scoprire di più sulle diverse forme di vibrazione nel nostro articolo sul comportamento delle vibrazioni intrinseche delle molle.

Assorbimento e isolamento delle vibrazioni

Le vibrazioni possono essere contrastate in diversi modi. L’assorbimento delle vibrazioni è il tentativo di ridurre il picco (ampiezza) di una vibrazione mediante estrazione di energia.
In aggiunta alla proprietà di un materiale utilizzato per ottenere un effetto di smorzamento mediante deformazione elastica e attrito interno, è possibile utilizzare anche smorzatori idraulici, pneumatici e/o elettrici accoppiati, nonché altri elementi meccanici di smorzamento.

Lo smorzamento converte l’energia delle vibrazioni in calore. L’ampiezza della vibrazione è ridotta, il che diminuisce le vibrazioni e le rende più controllabili. L’effetto di smorzamento contribuisce quindi in modo significativo a migliorare la vita utile e l’affidabilità delle macchine e dei componenti della macchina. Tuttavia, poiché lo smorzamento viene ottenuto solitamente convertendo l’energia cinetica in calore, il materiale di smorzamento può surriscaldarsi se sovraccaricato, i cui effetti possono variare da un cambiamento nelle proprietà di smorzamento al guasto dello smorzatore sovraccarico.

D’altro canto, l’isolamento dalle vibrazioni implica generalmente impedire completamente che le vibrazioni raggiungano un sistema oppure, se possibile, trasferire le vibrazioni risultanti a un altro sistema. Ciò avviene solitamente installando isolatori elastici per le vibrazioni. L’isolamento dalle vibrazioni è efficace quando la frequenza naturale del sistema isolato dalle vibrazioni è inferiore alla componente di frequenza più bassa della vibrazione spuria. Gli isolatori di vibrazioni possono essere, ad esempio: molle in acciaio, tamponi in gomma, piastre isolanti in sughero, gomma, feltro, sabbia, ecc.

Esistono diversi tipi di isolamenti dalle vibrazioni:

• Isolamento attivo dalle vibrazioni: L’ambiente di una macchina è protetto dalle vibrazioni.
• Isolamento passivo dalle vibrazioni: La macchina stessa è protetta dalle vibrazioni ambientali.

La cancellazione delle vibrazioni è un altro principio, specialmente su macchine/apparecchiature di grandi dimensioni. Collegando un oscillatore aggiuntivo portante una massa, viene rimossa l’energia dell’eccitazione e viene annullato il movimento di vibrazione del sistema principale.

Cosa sono i materiali di smorzamento?

I materiali di smorzamento vengono utilizzati per assorbire o ridurre vibrazioni, rumore (oscillazioni) nelle macchine. Ad esempio, ci sono materiali di smorzamento per i tipi di smorzamenti seguenti:

• Assorbimento delle vibrazioni di oscillazione / smorzamento delle vibrazioni: I movimenti dell’attrezzatura e dei macchinari vibranti sono smorzati. I materiali utilizzati a questo scopo sono elastici. Sono posizionati tra la fonte della vibrazione e l’oggetto da proteggere.
• Riduce le vibrazioni meccaniche indesiderate, ad esempio il rivestimento in PU sulle superfici.
• Isolamento acustico: Assorbe/isola dalle onde sonore per ridurre il rumore. I materiali per l’isolamento acustico sono spesso morbidi e porosi. Grazie a queste proprietà consentono che le onde sonore si rifrangano nel materiale, vengano intrappolate e siano assorbite.
• Smorzamento meccanico, ad es. assorbimento degli urti: Vengono assorbiti e distribuiti gli impatti e i carichi improvvisi, comprese le forze d’azione. Ciò protegge i componenti sensibili dai danni. I materiali di assorbimento degli urti sono elastici e possono assorbire molta energia.

MISUMI offre un’ampia gamma di materiali di smorzamento per un’ampia gamma di applicazioni. La panoramica seguente fornisce assistenza per la selezione del componente MISUMI appropriato:

In generale molte materie plastiche hanno anche proprietà di smorzamento. Scopri di più sulle proprietà della plastica nell’ingegneria meccanica nel nostro articolo sulla plastica.

Quale materiale è adatto all’assorbimento delle vibrazioni?

I materiali reagiscono in modo diverso alle vibrazioni. La durezza è una caratteristica che influisce sulle vibrazioni. La durezza indica la resistenza di un materiale alla penetrazione di un altro materiale. Più alto è il valore di durezza, più il materiale è resistente alla deformazione. La durezza viene determinata con diversi metodi di test di durezza, ad es. durezza secondo Rockwell o durezza secondo Shore. Scopri di più sui diversi test di durezza nel nostro articolo Durezza e test di durezza a confronto.

La durezza influisce anche sull’elasticità, che a sua volta influisce sulla frequenza delle vibrazioni (il numero di oscillazioni per unità di tempo). I materiali ad alta durezza hanno un’elasticità minore. La frequenza delle vibrazioni aumenta con l’aumento dell’elasticità (costante elastica) e la diminuzione della massa del corpo; vedere anche la panoramica seguente dei vari materiali di smorzamento:

• (1) Manicotto smorzatore
• (2) Piastra di smorzamento
• (3) Gel di smorzamento delle vibrazioni
• (4) Versione con rivestimento in gomma
• (5) Elementi in gomma-metallo
• (6) RUBLOC
• (7) Piastre che assorbono le vibrazioni
• * Capacità di carico (kg) per 4 unità

Gli elementi di smorzamento mostrati qui sono presentati in dettaglio di seguito:

Rivestimenti in gomma

I rivestimenti in gomma applicati su una superficie sono un metodo di smorzamento efficace contro le emissioni acustiche. Il materiale elastico converte in calore l’energia cinetica che agisce sul materiale attraverso deformazione e attrito interno, riducendo di conseguenza l’ampiezza della vibrazione. La figura seguente mostra una progettazione tipica di un elemento di smorzamento, con una combinazione di gel di smorzamento delle vibrazioni e rivestimento in gomma.

La versione con gel antivibrante e rivestimento in gomma è progettata per carichi leggeri e vibrazioni ridotte. Il gel assorbe le frequenze basse a un carico di lavoro massimo di 25-35 kg e una frequenza minima utilizzabile di 13 Hz. Il corpo base in silicone con rivestimento in gomma di etilene è resistente agli agenti atmosferici ed è adatto all’uso esterno. Gli smorzatori in silicone offrono anche una maggiore durata a fatica rispetto ai tradizionali smorzatori in gomma.

Boccole in gel o manicotti ammortizzatori in gel

Grazie alle loro proprietà di smorzamento elevato, le boccole in gel sono elementi di smorzamento delle vibrazioni progettati specificamente che vengono utilizzati soprattutto ad alte frequenze e con capacità di carico basse. Il materiale morbido simile al gel assorbe efficacemente le vibrazioni. Le boccole in gel possono essere utilizzate come segue:

Gel che assorbe le vibrazioni

I gel che assorbono le vibrazioni, in particolare i gel a base di silicone, sono ideali per la riduzione delle vibrazioni in applicazioni con carichi da ultraleggeri a medi e vibrazioni ridotte. Sono caratterizzati da flessibilità e adattabilità elevate. Rispetto ai tradizionali ammortizzatori in gomma, gli smorzatori in gel di silicone offrono una vita maggiore e mantengono le loro proprietà di smorzamento anche in condizioni di stress a lungo termine.

Piastre in gel che assorbono le vibrazioni

Le piastre in gel che assorbono le vibrazioni sono ideali per carichi leggeri e vibrazioni minime difficili da smorzare con la gomma convenzionale. Sono trattate termicamente, non presentano risonanze indesiderate e richiedono una distribuzione uniforme del carico. Questi articoli in gel sono adatti solo per carichi verticali, poiché gli spostamenti laterali o i carichi torsionali riducono notevolmente la loro efficienza e la loro vita utile. Inoltre non devono essere sottoposti a stress meccanici.

Staffe in gomma antivibrazioni

Le staffe in gomma antivibrazioni sono adatte per carichi da leggeri a medi. Grazie alla loro durata e all’elevata capacità di carico le staffe in gomma sono utilizzate spesso nelle applicazioni di macchine e veicoli, fornendo al contempo un’elevata resistenza all’usura e alle influenze ambientali esterne.

RUBLOC

Lo smorzatore di vibrazioni RUBLOC® è un marchio registrato di Rubloc Imexin ed è adatto per carichi da leggeri a medi con vibrazioni da basse a medie. La speciale composizione della gomma cloroprenica anti-sporco riduce al minimo la contaminazione delle superfici dei materiali che entrano in contatto con lo smorzatore, mentre le proprietà rimanenti sono simili a quelle della gomma cloroprenica convenzionale. La propagazione diagonale delle vibrazioni all’interno delle piastre determina un effetto di smorzamento elevato.

Isolamento acustico/insonorizzazione

L’isolamento acustico o insonorizzazione si riferisce a misure che impediscono o riducono la trasmissione del suono. L’isolamento acustico è progettato per ridurre il suono. Si ottiene riflettendo o assorbendo il suono.

La consistenza della superficie influenza notevolmente la capacità di riflettere o rifrangere il suono. Analogamente alla riflessione di un fascio di luce nell’ottica, le superfici lisce riflettono il suono direttamente nella stanza, con conseguente riproduzione del suono quasi allo stesso livello. Superfici ruvide o strutturate, invece, consentono la rifrazione delle onde sonore e le diffondono in direzioni diverse. Le soluzioni di insonorizzazione come piastre acustiche o schiume sfruttano questo principio. L’energia delle onde del suono viene suddivisa in quantità inferiori di energia da questa diffusione e viene attenuata di conseguenza rimanendo intrappolata nel materiale. Esistono anche speciali schiume acustiche e pannelli in fibra che assorbono completamente l’energia delle onde sonore. I materiali di isolamento acustico sono adatti per assorbire le frequenze alte, ma sono meno adatti per le frequenze sonore basse. I tappetini in gel di silicone, i tamponi in gomma, ecc. sono più adatti alle frequenze basse. Mentre i tappetini in gel di silicone hanno un assorbimento delle vibrazioni eccellente ed efficace, i tamponi in gomma sono disponibili per un’ampia gamma di applicazioni grazie alla loro varietà di progettazioni, varianti e materiali.

Di seguito viene mostrato il comportamento delle varie opzioni di smorzamento:

Esempio: uso di piastre per l’assorbimento di suoni e urti

MISUMI offre piastre realizzate con un’ampia varietà di materiali, ad esempio gomma poliuretanica (PU / PUR), gomma poliuretanica a basso ritorno, poliuretano antistatico, gomma nitrile butadiene (NBR), schiuma di poliuretano, feltro, ceramica o polietilene espanso.

Le piastre in schiuma e le piastre in gomma sono particolarmente adatte per lo smorzamento in generale e per l’isolamento acustico in particolare. È possibile impiegarle in un’ampia gamma di applicazioni perché sono disponibili in diverse durezze Shore. Le piastre in schiuma o le piastre in gomma possono ridurre, per esempio, le emissioni sonore di un sistema. Inoltre sono adatte per smorzare i componenti di movimentazione dei materiali nei sistemi di trasporto o come guide laterali per proteggere i componenti e le merci trasportate dai danni durante gli urti. In particolare le piastre in gomma dura o le piastre in gomma o schiuma a basso impatto riducono questa energia di impatto.

Configurazione dei pezzi di montaggio

Con il Configuratore MISUMI puoi configurare liberamente cuscinetti, alberi e altri componenti.

Seleziona il tipo di componenti e imposta le tolleranze desiderate.

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