Computational and experimental method for determining the structural appearance of transmission shafts made using composite materials

Full Text

Введение В настоящее время композитные материалы получили широкое распространение в качестве конструкционных материалов в узлах и агрегатах гоночных болидов. Применение современных композитных материалов в элементах трансмиссии автомобиля, таких как полуоси или приводные валы, позволяет существенно улучшить характеристики колесной машины: снизить полную и неподрессоренную массу, уменьшить момент инерции трансмиссии. Из современных композитных материалов можно выделить полимерные композитные материалы, имеющие в качестве армирующего элемента углеродные волокна, обладающие малой плотностью, и наилучшим образом сочетающие высокий уровень прочностных свойств с технологичностью изготовления изделия. В статье приведены результаты исследований, целью которых является уменьшение неподрессоренной массы, момента инерции трансмиссии и сохранение необходимой прочности приводных валов гоночного автомобиля за счет применения углепластиковых элементов в их конструкции. Наибольшее распространение при изготовлении приводных валов в автомобилях класса получили четыре конструкционных материала: сталь, титан, стекловолокно и углепластик [1]. Приводные валы, изготовленные из стали, имеют наибольшее распространение. Стальные валы более надежны чем композитные, имеют минимальную цену и просты в производстве, но обладают наибольшей массой. К приводному валу предъявляются следующие требования: передавать крутящий момент от трансмиссии на ведущее колесо; он должен быть способен вращаться с требуемой угловой скоростью; он должен работать при приложении крутящего момента в обоих направлениях [2]. Поскольку масса является важным фактором, влияющим на динамику автомобиля, необходимо уменьшить массу автомобиля и максимально уменьшить момент инерции трансмиссии. Снижение массы наиболее востребовано на спортивных автомобилях. Валы из титана являются самыми дорогими и сложными в производстве из-за необходимости применения сложных технологий, таких как сварка трением, при изготовлении изделия. Изделия из стеклопластика имеют низкую удельную прочность по сравнению с изделиями из улепластика. Использование углеродного волокна в конструкции приводного вала позволяет снизить вес изделия на 30% по сравнению со стальным аналогом [3; 4]. Таким образом, чтобы максимально снизить вес приводного вала при сохранении его рабочих характеристик, было решено создать конструкцию из углеродного волокна с титановыми шлицевыми наконечниками. На сегодняшний день организация надежной передачи крутящего момента с помощью шлицевого соединения является сложной задачей, если один компонент изготовлен из углепластика, а другой - из металла. Ввиду этого проблемой изготовления составного приводного вала вместо металлического является соединение корпуса составного вала и металлического наконечника. Одним из самых простых способов организации такого соединения является клеевое соединение [5; 6]. Однако этот метод имеет ряд недостатков, таких как высокая зависимость клеевого соединения от технологии его производства, низкая усталостная прочность и высокая чувствительность к вибрационным нагрузкам. В этом случае механическое соединение обладает большей надежностью [7; 8]. В статье предлагается конструкция приводного вала, состоящего из двух наконечников из титанового сплава, механически соединенных при помощи углепластикового трубчатого элемента. На наконечниках имеются шлицы, на которые устанавливаются триподы. Фиксация триподов на шлицах обеспечивается при помощью двух стопорных шайб, общий вид композитного вала представлен на рис. 1. Рис. 1. Общий вид композитного трансмиссионного вала Fig. 1. General view of the composite drive shaft Наконечники позиционируются друг относительно друга при помощи тонкостенной технологической композитной трубки необходимой длины, которая клеится на специальные буртики на наконечниках. Далее производится намотка углеволокна на заготовку. Волокно ложится на участок наконечника, имеющий иглы, которые материал огибает и тем самым обеспечивает механическое соединение металла и композита. Определение граничных условий Определение напряженно-деформированного состояния приводного вала, изготовленного из композитного материала, является нетривиальной задачей, связанной с учетом анизотропии свойств армированного пластика. Основные сложности возникают в следствии учета особенностей структуры материала, таких как направление армирования и количество слоев армирующего материала. Предельные моменты, действующие на приводные валы, возникают при трогании с места и торможении двигателем. Случай, трогания с места при максимальном моменте, реализуемым по сцеплению, является наиболее опасным. В гоночных автомобилях, при использовании спортивной резины, коэффициент сцепления может достигать 1,7-1,8, в расчетах момента максимально реализованного по сцеплению принимается 1,7 [9]. Mсц = rк ∙ kбл ∙ φ ∙ М ∙ g ∙ 0,7 = 914 Н ∙ м, (1) где М = 240 кг - полная масса автомобиля; rк = 0,261 м - радиус качения; kбл = 1,25 - коэффициент блокировки дифференциала; φ = 1,7 - коэффициент сцепления; Mсц - максимальный момент, реализуемый по сцеплению [10]. Конечно-элементный анализ Для оценки характеристик конструкции под действием экстремальных нагрузок обычно используется конечно-элементный программный комплекс со встроенными модулями для подготовки модели конечных элементов с учетом анизотропных свойств армированных материалов [11; 12]. В рамках исследования создана трехмерная имитационная математическая модель приводного вала с конечными элементами (рис. 2), состоящая из 12 325 оболочечных конечных элементов. Титановые элементы наконечника вала и игл моделируются с помощью трехмерных конечных элементов. Рис. 2. Конечно-элементная модель приводного вала Fig. 2. Finite element model of drive shaft В диалоговом окне, показанном на рис. 3, задаются такие параметры материала, как модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига в трех ортогональных направлениях. Далее задается количество слоев и направление армирования композитного материала. Слои чередуются с углом намотки + 54° и - 54° [13; 14]. Для правильной оценки прочности приводного вала необходимо использовать критерии разрушения, учитывающие анизотропные свойства и типы разрушения композитного материала. Конечно-элементный программный комплекс позволяет оценить прочность детали с учетом одновременного анализа нескольких критериев отказов. Можно использовать максимальную деформацию, максимальное напряжение, Цая-Хилл, Пук и другие критерии [15; 16]. В каждом слое композита оценка прочности проводится в соответствии с перечисленными критериями. На основе этой оценки определяются критические слои, в которых значения одного или нескольких критериев достигают максимума. На рис. 4 дается наиболее нагруженный слой композитного материала. Максимальные напряжения сконцентрированы в максимально отдаленном от края композитной трубы ряду игл. В том же регионе сосредоточены максимальные значения критериев отказа. В локальных зонах отдельных слоев материал может подвергаться разрушению при экстремальных нагрузках, но такие зоны незначительны. Эти зоны находятся только в некоторых слоях и не влияют на надежность, поэтому можно сделать вывод, что составная часть является достаточно прочной. Рис. 3. Параметры материала и углы укладки приводного вала Fig. 3. Material parameters and laminate of the CF drive shaft Рис. 4. Критерий разрушение композиционного материала Fig. 4. Torque loading result Конечно-элементная модель (КЭМ) и схема конструкции наконечника с иглами показаны на рис. 5. Для ускорения расчета была воспроизведена лишь небольшая часть титанового элемента с иглами. Крутящий момент распределяется по всем отверстиям и иглам. Результат расчета кончиков валов и игл показан на рис. 6 и 7. Расчет показывает высокие контактные напряжения у основания игл. Это может быть объяснено тем фактом, что при расчете не учитывается адгезия углеродного волокна и наконечника вала, возникающая при намотке нити накала на заготовку, и, как следствие, перераспределение нагрузки на иглы. Стендовые испытания На основании результатов расчетов под действием предельных нагрузок можно сделать выводы об эффективности конструкции составных приводных валов. Следующая часть работы посвящена стендовым испытаниям экспериментального образца приводного вала. На первом этапе была создана твердотельная модель стенда. Рис. 5. КЭМ наконечников приводного вала с иглами Fig. 5. FEM of the drive shaft tips with needles Рис. 6. Результат расчета наконечников вала Fig. 6. Result of calculation of shaft tips Рис. 7. Результат расчета игл Fig. 7. Result of calculation of needles Приводной композитный вал испытывается на кручение при воздействии на плечо усилия, приложенного с помощью стяжного устройства (3). Величина нагрузки фиксируется тензодатчиком (1). Величина крутящего момента расчитывается, как произведение усилия, фиксируемого тензодатчиком на длину плеча. Величина углового перемещения измеряется при помощи индикаторной головки часового типа (2) и рычага, поджимающего головку датчика (рис. 8). Разрушение изделия происходит в области шлицов на титановом наконечнике композитного вала при достижении крутящим моментом значения 1179 Н ∙ м (рис. 9). Натурные испытания Предложенная конструкция составных приводных валов, согласно результатам стендовых испытаний, выдерживает больший крутящий момент, чем рассчитанный, поэтому было принято решение изготовить валы и установить их на гоночный автомобиль для проведения натурных испытаний. Рис. 8. Стенд для испытаний: 1 - тензодатчик; 2 - индикаторная головка часового типа (для измерения деформации); 3 - стягивающее устройство Fig. 8. Test fixture: 1 - strain gauge; 2 - dial indicator head; 3 - tightening device В результате анализа данных телеметрии было установлено, что в ходе натурных испытаний автомобиль эксплуатировался в различных условиях, таких как старт с места, торможение двигателем, прохождение поворотов, внезапное ускорение и торможение. Во время работы не было обнаружено никаких внешних дефектов ни на шлицах, ни в области титанового наконечника и крепления композитной трубы, ни на самой композитной трубе. При пробеге около 30 км все иглы, фиксирующие титановый наконечник, были разрушены (рис. 10). Рис. 9. Разрушение изделия в области шлицов Fig. 9. Tip failure Рис. 10. Разрушенный композитный приводной вал Fig. 10. Сomposite drive shaft failure Во время эксплуатации машины не было нагрузок, превышающих 60% от расчетных, поэтому основной причиной поломки является усталостное разрушение игл. Усталостное разрушение может произойти из-за динамических нагрузок, вызванных несбалансированными характеристиками двигателя [17]. Испытательный автомобиль оснащен одноцилиндровым мотоциклетным двигателем Yamaha WR450f. Двигатели этого типа имеют высокие амплитудные крутильные колебания системы двигатель-трансмиссия-колесо. Причиной дисбаланса двигателя являются силы инерции возвратно-поступательного движения масс и их моментов, периодически меняющиеся по величине и направлению. Поэтому возникает неравномерность передаваемого крутящего момента, вызывающая высокие циклические динамические нагрузки и приводящая к быстрому росту усталостных трещин в соединительных элементах вала, что значительно сокращает срок службы детали. Для увеличения срока службы приводных валов, изготовленных по описанной методике, необходимо уменьшить концентрацию напряжений в металлических и композитных соединительных элементах и использовать материалы с более высоким пределом усталостной выносливости. Разработка и испытания конструкции новых приводных валов В связи с тем, что разработанный приводной вал не обладал достаточной надежностью, было решено разработать новую конструкцию, лишенную этого недостатка. Поскольку слабым местом оригинальной конструкции оказался концентратор напряжений на стыке между иглами и наконечником приводного вала, было решено разработать и изготовить монолитные наконечники. Кроме того, было решено увеличить прочность соединительных элементов путем увеличения их площади поперечного сечения, чтобы увеличить прочность на сдвиг. Таблица 1 Масса приводных валов [Mass of drive shafts] Тип приводного вала Масса, г Стальной приводной вал 1729 Композитный приводной вал с иглами 1138 Композитный приводной вал с монолитными наконечниками 985 Однако изготовление вкладышей, соединенных с валом, является сложной технологической задачей. Кроме того, увеличение диаметра элементов приводит к появлению зазоров между композитным материалом и иглой при намотке волокна. Чтобы устранить эти зазоры и одновременно увеличить площадь поперечного сечения, а также улучшить технологичность изделия, было решено изготавливать наконечники вала с ромбовидными соединительными элементами (рис. 11). Поверхности ромбовидных элементов наклонены под углом намотки, чтобы исключить зазоры между ними и жгутом нити при намотке. Производство такой детали не является технологически сложным при использовании 4-х-осевого станка с ЧПУ. В связи с тем, что предыдущая конструкция вала уже показала достаточную прочность при испытании на статическую нагрузку, новая конструкция, которая, очевидно, является более долговечной, не требует испытаний на статическую нагрузку. Рис. 11. Наконечники валов с ромбовидными соединительными элементами Fig. 11. Drive shaft tips with lozenge-shaped joint elements Было решено изготовить предложенную конструкцию и провести ее натурные испытания в реальных условиях эксплуатации. Испытания проводились на гоночном автомобиле и заключались в проведения пробных заездов по типичным трассам (рис. 12). Рис. 12. Гоночный автомобиль с установленными композитными приводными валами последней конфигурации Fig. 12. Race car with new design composite drive shafts installed В ходе испытаний были реализованы режимы максимального ускорения и торможения двигателем. Во время испытания поломка не произошла, и визуальный осмотр валов не выявил конструктивных дефектов. Результаты и выводы 1. В результате вычислительной и экспериментальной работы были разработаны различные конструкции композитных приводных валов, а также технология их изготовления. 2. Эффективность конструкции приводных валов с игольчатым соединением под воздействием статической нагрузки подтверждается расчетным методом. 3. Для проверки характеристик обеих конструкций приводных валов были изготовлены натурные образцы для проведения стендовых статических испытаний и динамических натурных испытаний. 4. В результате полевых испытаний приводной вал, изготовленный из наконечников с игольчатым соединением, был разрушен. Анализ результатов стендовых и натурных испытаний позволяет сделать вывод об усталостном характере разрушения соединительных игл. 5. Конструкция композитного приводного вала с монолитным титановым наконечником была разработана, изготовлена и успешно испытана. 6. Разработанная конструкция композитного приводного вала с монолитным титановым наконечником на 43% легче металлического аналога и обладает такой же надежностью. 7. Разработанный приводной вал можно использовать на спортивных автомобилях вместо стальных.

About the authors

Valentin P. Eremin

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: ereminvp@mai.ru
engineer at the Laboratory “Composite materials” of the Department of Aircraft Design and Certification Moscow, Russian Federation

Alexander A. Bolshikh

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: bolshikhaa@mai.ru
engineer at the Laboratory “Composite materials” of the Department of Aircraft Design and Certification Moscow, Russian Federation

Maksim V. Shkurin

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: maksmai33@gmail.com
senior lecturer at the Department of Aircraft Design and Certification Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files