Привідний вал із волокнистого композиційного матеріалу

Реферат: UA 70819 U UA 70819 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до машинобудування, зокрема, до конструкції привідного вала, що сприймає напруги кручення, стиснення та згину при пульсуючих і реверсивних циклах роботи, а також в умовах вібраційних навантажень, і може бути використано в автомобілебудуванні та виробництві сільськогосподарських машин різного призначення. Відомі конструкції привідних валів з композиційного матеріалу, в яких нерівномірний розподіл прикладених моментів навантаження при згині і крученні по довжині вала враховують шляхом поступової зміни кута намотування армованих волокон від внутрішнього шару до зовнішнього для приведення всіх діючих сил до центру вала, тим самим забезпечують ефективну роботу вала в заданому діапазоні діючих навантажень. [Закржевський A.M. Несущая способность толстостенных валов из композитов, работающих на кручение / Закржевський A.M., Хитров В.В… - М.: Механика композиционных материалов. №1, 1988.-287 с]. Однак, зміна кута намотування армуючих волокон створює анізотропність механічних властивостей композита у всьому об'ємі привідного вала. Максимальне зусилля на область вала від пристроїв, які насаджені на нього для передачі крутного моменту найчастіше не збігаються з областю вала з максимальною щільністю укладання волокон, яка відповідає максимальним значенням пружності і міцності. У результаті цього забезпечити високу ефективність роботи привідного вала в широкому діапазоні циклічних навантажень не представляється можливим. Прототипом заявленого привідного вала є привідний вал з волокнистих композиційних матеріалів, що утворюють коаксіально розташовані шари, внутрішній з яких виконаний з вуглепластика, а зовнішній - зі склопластику. Армуючі вуглецеві волокна розташовані під кутом 0-10° до дотичної, а армуючі скляні волокна - під кутом 40-45° до дотичної. Внутрішній шар, який розташований на суцільному сердечнику виконаний з сферопластику за патентом РФ № 2122663, МПК F16C27/00 від 1998 року. Byглепластик і склопластик в структурі відомого привідного вала завдяки їх високим показникам міцності при зсуві, крученні, вигині надають валу високу віброміцність та демпфуючу здатність. Завдяки високій міцності волокнистих односпрямованих композитів вони мають підвищену міцність при двохвісних симетричних навантаженнях, тому зрушення по паралельних площинам волокон мінімальне (тобто перпендикулярно площині укладання перехресно армованих композитів). Орієнтація вуглецевих волокон уздовж осі вала відповідає максимальній стійкості вуглепластика змінним згинаючим моментам, стійкість склопластику - прикладеному крутному моменту. Тому поздовжньопоперечне розташування армуючих волокон в волокнистому композиційному матеріалі відомого привідного вала забезпечує його працездатність. Включення в структуру відомого привідного вала наповнення із сферопластику і шару, який розташований між шарами з вугле- та склопластику, знижує вагу відомого вала та його вартість. Основний недолік відомого привідного вала полягає в наступному. Крім шарів з вуглепластика і склопластику в конструкції відомого привідного вала використовуються технологічні шари зі склопластику, розташовані на зовнішніх поверхнях шарів зі скло- та вуглепластика, які призначені для їх ущільнення з подальшим видаленням після затвердіння композиту. Видалення з конструкції вала технологічного шару з зовнішньої поверхні шару з вуглепластика створює умови прослизання в робочому режимі, зниження величини переданого крутного моменту, розсіювання енергії, що призводить до внутрішніх термічних напружень, до зниження міцності, надійності та ефективності роботи вала в широкому зміну значень крутного моменту. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого привідного вала, в якому нове поєднання затвердівших епоксидіанових наповнювальних шарів на основі армуючих вуглецевих і скляних волокон, з попереднім їх обробітком і введення тонкодисперсного активного порошкового наповнювача дозволило б підвищити надійність та ефективність роботи привідного вала. Поставлена задача вирішується тим, що привідний вал, який містить затверділі епоксидіановим сполучним шари з армуючих вуглецевих і скляних волокон утворюють внутрішню міжшарову гібридну композицію, а вуглецеві та скляні волокна попередньо покриті сполучним - модифікованим полівініловим спиртом, що містить сажу. Внутрішній шар складається з вуглекомпозиту, а зовнішній шар - з гібридного внутрішньошарового вуглесклокомпозиту. Внутрішній і зовнішній шари утворюють міжшаровий гібридний композит. Привідний вал з внутрішньої міжшарової гібридної композиції на основі затверділих епоксидіановим сполучним армуючих вуглецевих і скляних волокон, які попередньо покриті сполучним - модифікованим полівініловим спиртом, що містить сажу у взаємозв'язку з іншими елементами невідомо і у заявленому привідному валу виявляють нові властивості, що дозволяють максимально використовувати високі механічні характеристики армуючих 1 UA 70819 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 волокнистих наповнювачів, а також підвищити надійність та ефективність роботи привідного вала. У заявленому привідному валу високу адгезійну взаємодію на межі волокно-сполучне забезпечує покриття армуючих волокон епоксидіановим сполучним - модифікованим полівініловим спиртом (5…10 % від маси сполучного), що містить сажу - продукт розкладання природного газу без доступу повітря з розміром сферичних частинок 10-40 нм. Через високу валентність (4) вуглецю сферичні частинки сажі мають велику поверхневу енергію, тому активно взаємодіють між собою і з поверхнею вуглецевих волокон. У складі полівінілового спирту (не більше 10 % від маси спирту) частинки сажі не коагулюють, але значно підвищують його поверхневу енергію. Реологічні і змочувальні властивості епоксидіанової смоли, яка модифікована полівініловим спиртом, що містить сажу, поліпшуються - вона добре змочує вуглецеві волокна і більшою мірою змочує скляні волокна. Активна сорбція частинок сажі на поверхні армуючих волокон утворює стійкий адгезійний зв'язок на межі волокно-сполучне, що призводить до значного підвищення межі міцності при міжшаровому і внутрішньошаровому зсуві в гібридному вуглесклокомпозиті. Крім того, сажа як активний наповнювач підвищує ударну в'язкість, твердість, легкість переробки і теплопровідність, що підвищує експлуатаційні характеристики привідного вала. Внутрішньошарове розташування армуючих вуглецевих і скляних волокон з різною жорсткістю і високими характеристиками міцності одночасно підвищує опір поперечному стиску, знижує анізатропію пружних властивостей композиту, що призводить до зниження окружних напруг та підвищення міцності в радіальному напрямку при внутрішньошаровому зсуві. В результаті підвищується міцність гібридної внутрішньої міжшарової гібридної композиції в конструкції запропонованого привідного вала. З покритих епоксидіановим сполучним модифікованим полівініловим спиртом, що містить тонкодисперсну сажу, а також армуючих вуглецевих і скляних волокон формують запропонований привідний вал методом намотування, який є найбільш поширеним і досконалим для виготовлення високоміцних виробів. Як затверджувач використовують малеїновий ангідрид (МА). Внутрішній шар формують армуючими вуглецевими волокнами (наприклад, марок Урал-24, Кулон) з кутом намотування 010°. Зовнішній шар формують за схемою поздовжньо-кільцевого (поздовжньо-поперечного) намотування. Стрічковим наповнювачем вздовж осі оправки укладають вуглецеве армуюче волокно, а з котушок кільцевої стрічки надходить скляне волокно з кутом намотування 80-90° так, що укладання вуглецевих і скляних волокон відбувається одночасно, утворюючи поздовжньо поперечне укладання. Кількість проходів залежить від необхідного діаметра вала. Після закінчення намотки виріб затвердіває при температурі 353-427 К протягом 9-9,5 годин з подальшим охолодженням у нагрівачі. Після затвердіння в структурі приводного вала утворюються два шари - внутрішній з вуглекомпозиту і гібридний внутрішньошаровий з вуглецевих і скляних волокон. В цілому просочені сполучним вуглецеві та скляні волокна утворюють після затвердіння внутрішню міжшарову гібридну композицію. Структура внутрішньої міжшарової гібридної композиції має високу міцність: межа витривалості збігається з межею витривалості вуглекомпозиту і більш ніж в чотири рази вище, ніж у склокомпозиту; висока міцність при зсуві обумовлена міцним адгезійним зв'язком на межі волокно-сполучне; висока ударна в'язкість за рахунок включення у внутрішньошарову композицію скляних волокон. Високі віброміцність і демпфуюча здатність дозволяють розширити область застосування привідного вала в умовах вібраційних навантажень. Крім того, механічний обробіток поверхні запропонованого привідного вала до необхідної чистоти можливий із застосуванням звичайного металорізального устаткування при цьому поверхня вала має високі антифрикційні властивості. Спеціальні дослідження показали, що структура внутрішньої міжшарової гібридної композиції привідного вала із затверділих одним і тим же сполучним армуючих вуглецевих і скляних волокон, а також попереднє покриття цих волокон модифікованим полівініловим спиртом, що містить сажу. Епоксидіанове сполучне дозволяє максимально використовувати високу міцність обох армуючих наповнювачів, тим самим підвищуючи надійність та ефективність на різних режимах роботи вала. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Привідний вал з волокнистих композиційних матеріалів, який характеризується тим, що містить затверділі епоксидіанові сполучні шари на основі армуючих вуглецевих і скляних волокон. 2 UA 70819 U 2. Привідний вал за п. 1, який відрізняється тим, що вуглецеві та скляні волокна попередньо вкриті епоксидіановим сполучним шаром, який модифікований полівініловим спиртом, що містить сажу. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3