Диссертация (Метод расчета упругих элементов из композиционных материалов для систем подрессоривания колесных машин), страница 3

[14].18В последние годы в автомобильной промышленности появляется новый типупругих элементов из ПКМ – витые цилиндрические пружины. Первый патент поспособу изготовления цилиндрических пружин, выполненных с применениемПКМ появился в 1981 году в США. Первые работы по этой теме были сделаны ужев 2000-х годах.В 2009 году во Франции началось освоение промышленного производствапружин, выполненных с применением ПКМ, в результате тесного сотрудничествамежду компаниями «Sogefi» и «Owens Corning». В конце 2014 года эти пружиныбыли запущены в серийное производство для европейского автомобильного рынка.Первая такая пружина была установлена на серийный автомобиль Audi «A6» скузовом универсал в конце 2015 года. Основное преимущество этой пружиныперед стальной заключается в том, что она имеет на 40 % меньшую массу (Рис.1.11).

Кроме того, композитные стеклопластиковые пружины (Рис.1.12)устанавливались до этого на автомобили: Ford «Fusion» – сверхлегкий концепт,изображенный на Рис. 1.13; спортивный автомобиль Renault «Megane RS 275Trophy-R» 1.14 и электрический автомобиль Audi «R8 e-tron», изображенный наРис.

1.15.Рис. 1.11. Сравнение массы стальной пружины со стеклопластиковойавтомобиля Audi A619Рис. 1.12. Стальная пружина и её стеклопластиковый аналог автомобиляконцепта Ford «Fusion»Рис. 1.13. Автомобиль-концепт Ford «Fusion» со стеклопластиковымипружинами20Рис. 1.14. Автомобиль Renault Megane RS 275 Trophy-R и егостеклопластиковая пружинаРис. 1.15. Автомобиль Audi R8 e-tron и его передняя подвеска состеклопластиковыми пружинами21Таким образом, можно выявить тенденцию к росту объемов производстваупругих элементов на основе ПКМ с каждым годом. По данным компании Hexion[8] производство автомобильных деталей из ПКМ за период с 2010 по 2015 годвозросло с 10 тыс. до 100 тыс. штук в год, помимо этого, механические свойстваулучшаются в связи с внедрением современных технологий, а цикл производстватаких деталей сократился более чем в 2 раза.Одинизспособовизготовленияупругихэлементовпредполагаетиспользование оправки (1), на которую происходит намотка заранее пропитаннойсвязующим нити армирующего материала (3), нить подается через поступательноперемещающийся раскладчик (2).

Схема процесса намотки представлена наРис. 1.16. Такой способ предполагает расчет необходимого числа кольцевых слоеви угла армирования материала. Оба перечисленных способа позволяют получатьпруткипружиныпеременнойтолщины.Технологиянамоткипозволяетизготавливать прутки пружины практически любого переменного сечения подлине, такой процесс требует предварительной проработки технологии инаписания программы для намоточного станка.Рис. 1.16. Схема простой спиральной намоткиПрименениеПКМвкачестведемпфирующихэлементовсистемподрессоривания КМ позволяет частично снизить демпфирующую способность22гидравлического амортизатора, а в ряде случаев отказаться от использованиягидравлического амортизатора. Такое решение позволяет заменить вязкоедемпфирование в амортизаторе на гистерезисное трение в слоях ПКМ и вмежслойном листовом материале.

При таком подходе улучшается демпфирующаяхарактеристика в высокочастотной области, а также система подрессоривания КМлишается всех недостатков, характерных для гидравлических демпфирующихэлементов(относительнаясложностьконструкции,возможныйперегревгидравлического амортизатора и т.д.).Согласно патенту авторов Howard S. Kliger и Edison, NJ. [9] пружина из ПКМпроизводится из плетеного углеродного волокна. На Рис. 1.17 нити углеродноговолокна (1) ориентированы приблизительно под углом +45° и -45° к оси пруткапружины. Они пропитаны смолой, которая выполняет роль матрицы.

Также впруток пружины должны быть добавлены углеродные нити (2), расположенныевдоль оси прутка, для предотвращения выпрямления пружины при продольномрастяжении. На Рис. 1.18 изображена специальная оправка (2), в спиральный паз(1) которой укладывается сформированный пруток (3) в не отверждённомсостоянии. Пруток принимает форму паза оправки, затем происходит отверждениесвязующего. После этого пружину в отвержденном состоянии скручивают соспиральной оправки.Рис. 1.17. Схема фрагмента прутка пружины из ПКМ23Рис. 1.18.

Спиральная оправка, предназначенная для изготовления пружины изПКМОправки для производства пружин могут быть различных типов иизготавливаться из разных материалов [10]:- оправки, имеющие спиральный паз, в который укладывается пруток внеотвержденном состоянии, затем после окончания процесса полимеризацииоправка выкручивается;- резиновые или силиконовые оправки, которые после окончания процессаполимеризации можно деформировать и высвободить готовое изделие;- оправки, состоящие из нескольких деталей, соединенные в однуконструкцию, которая для извлечения изделия может быть разобрана;- разрушаемые оправки;- конструкция с деформируемой наружной оболочкой и стержнем вцентральной части;- оправки для формовки под давлением;- оправки, изготовленные из термопластичных материалов.В 2007 в США был запатентован метод [11] изготовления прутка дляпружины из ПКМ.

Пруток пружины изготавливается спиральной намоткой нити(2) на цилиндрическую основу диаметром D, образуя угол β с осью прутка (1).24Схема намотки нити изображена на Рис. 1.19. Цилиндрическая основа пруткапредставляет собой цилиндр диаметром D сделанный из материала, имеющегомалый модуль упругости на кручение, например, цилиндр армированныйоднонаправленными нитями, расположенными вдоль оси прутка (1).Рис. 1.19. Схема намотки нити прутка пружины из ПКМТехнологический процесс изготовления прутка пружины изображен наРис. 1.20. Цилиндрическая основа (1) диаметром D протягивается через конуснуюоправку (2) в направлении T. Армирующие нити (8), толщиной E, подаются черезподатчик (5) и наматываются на цилиндрическую основу под заданным углом β коси прутка (6). Нити проходят через связующее (7), которым заполнена оправка (2),представляющая собой усеченный конус с большим основанием (3) и меньшимоснованием (4) диаметром D+2E, кроме того, оправка имеет рукав (9)цилиндрической формы.

Нити проходя через связующее опрессовываютсяоправкой, лишнее связующее удаляется и на выходе (10) из оправки армирующиенити оказываются прочно закрепленными на основе прутка. Скорость вращенияподатчика в направлении R должна быть синхронизирована со скоростьюпротягивания прутка в направлении T. С помощью одного податчика возможнонамотать на основу прутка только одну спираль, поэтому для того чтобы слой Сравномерно укрывал всю основу прутка, он должен состоять из конечного числанамотанных спиралей плотно прилегающих друг к другу и образующихнепрерывный слой С. Такую намотку спиралей можно обеспечить за счет25использования нескольких податчиков, число которых будет равно числоспиралей, наматываемых в одном слое.

Податчики 5-1, 5-2 вращаются в одномнаправлении R и с одинаковой скоростью. Поле намотки первого слоя прутокпротягивается через следующую оправку диаметром D+4E. Армирующие нитинаматываются аналогично, но уже в другом направлении R'. Такой процессповторяется до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое число слоев.Рис. 1.20. Схема технологического процесса изготовления прутка пружиныМетод позволяет изготавливать прутки круглого сечения для производствацилиндрических пружин, торсионных валов систем подрессоривания автомобилей,кроме того такие прутки могут найти применение в других областяхпромышленности. Пруток, полученный таким методом, обладает высокимипрочностными характеристиками, малым разбросом физических свойств, крометого такой способ является высокопроизводительным и недорогим.При проектировании любого упругого элемента необходимо определять егопотенциальную энергию деформации.

Основное соотношение для потенциальнойэнергии деформации (U) выглядит следующим образом [12]:26F 2l σ 2 mU,2 EA 2 EρКомпозиционные материалы имеют модуль упругости и плотность меньшечем у стали. Из соотношения видно, что для материала с меньшим модулемупругости (E) или с меньшей плотностью (ρ) потенциальная энергия деформации(U) будет больше при неизменном значении напряжения (σ).Максимальный прогиб пружины определяется соотношением [12]:maxпж max 3c iпж8 Pпж,Gd пж(1.1)где iпж – число витков пружины;max– максимальное усилие в пружине;PпжcDсрd пж– параметр пружины;Dср – средний диаметр пружины;d пж – диаметр прутка пружины;G – модуль сдвига материала прутка пружины.Максимальные напряжения в прутке пружины определяются выражением:max пжгде k 4c  2– параметр пружины.4c  3max8kPпжcd пж 2,(1.2)В случае замены стальной пружины на стеклопластиковую необходимосохранитьтребуемуюжесткостьпружиныпринеизменномзначениимаксимального прогиба ( maxпж ), а следовательно и при неизменном значенииmaxмаксимального усилия в пружине ( Pпж).

Модуль сдвига (G ) стали почти в 8 разбольше модуля сдвига материала прутка стеклопластика, поэтому для сохранениятребуемой жесткости необходимо варьировать геометрические параметрыпружины. Из соотношения (1.1) видно, что при уменьшении модуль сдвига ( G ) длясохранения значения максимального прогиба ( maxпж ) пружины необходимо27увеличить диаметр прутка пружины ( d пж ), уменьшить число витков пружины( iпж ) или уменьшить значение параметра c Dсрd пж. Максимальный ход пружинызависит от параметра c в кубе, поэтому целесообразно максимально уменьшитьпараметр c .

В случае использования стальной пружины значение параметра cможет изменяться в диапазоне [12] от 7 до 12. Такое ограничение вызванотехнологическими возможностями изготовления стальных пружин. Технологияизготовления композитных пружин позволяет значительно уменьшить параметраc вплоть до двух. Изменение параметра c в сторону его уменьшения благоприятноmax) в прутке пружины, которыесказывается на максимальных напряжениях ( пжопределяются соотношением (1.2).Кроме этого, для обеспечения необходимой энергоемкости подвески убольшегрузных автомобилей неизбежно существенное увеличение длины пружинбольшого числа витков.