Kompozytowa obudowa przekładni
Kompozytowa obudowa przekładni odnosi się do zastosowania materiałów kompozytowych do obudowy elementów przekładni silnika . Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem są wykorzystywane przede wszystkim do redukcji masy. Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym jest powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.
Projekt
Głównymi problemami związanymi z zastosowaniem tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem do obudów przekładni jest niska przewodność cieplna i niska twardość materiału kompozytowego. Ze względu na niską twardość kompozytowa obudowa przekładni wymaga licznych wkładek metalowych wlaminowanych w zewnętrzną część kompozytową lub zainstalowanych za pomocą kleju w prefabrykowanej obudowie kompozytowej. epoksydowe o wysokiej wytrzymałości są stosowane do produkcji wałów napędowych z kompozytu włókna węglowego do samochodów.
Metalowe wkładki zapewniają podparcie łożysk, wałów, kół zębatych i innych metalowych elementów skrzyni biegów. Kompozytowa obudowa przekładni nie odprowadza ciepła tak skutecznie jak aluminiowa lub magnezowa . Kompozytowe obudowy przekładni wymagają droższych i bardziej niezawodnych układów chłodzenia. Jednak kompozytowe tworzywo sztuczne jest szeroko stosowane w zastosowaniach o małej mocy, takich jak motoreduktory do siłowników elektromechanicznych . Lekko obciążone siłowniki z przekładnią obrotową mogą być w całości wykonane z kompozytowego tworzywa sztucznego. Takie elektromechaniczne siłowniki obrotowe są instalowane na przykład na elektrycznie sterowanych szybach samochodowych. Siłowniki o wyższym obciążeniu mogą zawierać metalowe koła zębate wewnątrz plastikowej obudowy kompozytowej w celu zmniejszenia kosztów i odporności na korozję.
Niektóre nowoczesne roboty przemysłowe zawierają elektromechaniczne siłowniki obrotowe montowane w kompozytowej obudowie z włókna węglowego – ramieniu robota. Zastosowanie włókna węglowego w [ramię robota] pozwala na zmniejszenie bezwładności ramienia, a co za tym idzie sprawia, że robot pracuje szybciej.
Gear Mechanic Corporation w Las Vegas, NV produkująca kompozytowe obudowy przekładni do zastosowań motoryzacyjnych i lotniczych wraz z przekładniami ślimakowymi. Gear Mechanic Co. wykorzystuje kompozytową obudowę przekładni do wykonania lekkiej przekładni hipoidalnej do osi napędowych samochodów wyścigowych. Niższa waga umożliwia szybsze przyspieszanie i szybsze zatrzymywanie, co daje znaczną przewagę w NASCAR i wyścigach Formuły 1 .
We współczesnym samolocie można znaleźć liczne układy mechaniczne z przekładniami, jednostkami napędowymi, wałami napędowymi, siłownikami, podnośnikami i innymi częściami mechanicznymi. Ludzie nazywali helikoptery „latającymi przekładniami”. Obecnie przeciętny samolot ma więcej elementów przekładni niż helikopter. Typowymi mechanicznymi elementami transmisyjnymi samolotu są: system wysokiego podnoszenia, system uruchamiania drzwi ładowni, system uruchamiania drzwi ładunkowych, podwozia, wciągniki, systemy uruchamiania drzwi ładunkowych, a czasami główny system sterowania lotem. Całkowity koszt i waga układu mechanicznego samolotu mogą być podobne do kosztu i wagi przekładni helikoptera. Zmniejszenie masy i kosztów układów mechanicznych jest istotne dla obniżenia całkowitych kosztów eksploatacji samolotu.
Historia
W 1969 roku General Motors zbadał zastosowanie kompozytowych skrzyń biegów w celu obniżenia kosztów produkcji.
John Barnard próbował zastosować ten materiał w obudowie skrzyni biegów w bolidzie Ferrari F1 w 1994 roku, ale zamiast tego zamontował tylko metalową skrzynię biegów na kompozytowym wsporniku z włókna węglowego. Od tego czasu kilka zespołów F1, w tym zarówno Honda (z domu BAR ), jak i McLaren , ścigało się w obudowach „Carbon” z dużą zawartością kompozytów.
W 2004 roku Departament Obrony USA podjął decyzję o sfinansowaniu opracowania kompozytowej obudowy przekładni planetarnej przekładni wirnika głównego śmigłowca . Boeing i Sikorsky prowadzą obecnie prace nad kompozytową obudową przekładni śmigłowca.
Patenty i metody
Firma Gear Mechanic Corporation opracowała metody kontrolowanego łączenia i metody symulacji matematycznej trójwymiarowych struktur kompozytowych nawijanych włóknem, stosowanych w systemach mechanicznych. Metoda zapewnia zoptymalizowane rozmieszczenie włókien i zwiększoną siłę wiązania między wkładkami metalowymi a tworzywami sztucznymi wzmocnionymi włóknem dla metalowych/kompozytowych elementów przenoszenia mocy w różnych zastosowaniach.
Snap-on Incorporated opatentowała koncepcję kompozytowego koła zębatego, które zawiera metalową wkładkę zębatą połączoną z kompozytową obudową z tworzywa sztucznego wzmocnioną włóknem. Wynalezione przez Snap-on Incorporated, kompozytowe koło koronowe zostało już z powodzeniem zastosowane w inżynierii mechanicznej. Mówiąc dokładniej, Snap-on produkuje przekładniowy system mechaniczny, powszechnie znany jako rękojeść klucza z grzechotką, który zawiera kompozytowe koło koronowe Snap-on jako kluczowy element systemu.
Opatentowane na arenie międzynarodowej rozwiązanie Composite Structural Members zapewnia nieco inne rozwiązanie inżynieryjne do łączenia wkładek konstrukcyjnych z kompozytowym tworzywem sztucznym. Jeśli wynalazek Snap-on wykorzystuje zorientowane i przypadkowo zorientowane włókna wzmocnione do budowy obudowy koła koronowego, patent Composite Structural Members oferuje rozwiązanie wykorzystujące materiał do nawijania włókien.
Lotnictwo
Kompozytowa obudowa przekładni dla przemysłu lotniczego jest na etapie opracowywania w ramach programu Advanced Rotorcraft Transmission. Program ART to wspólny program armii i NASA mający na celu opracowanie i zademonstrowanie lekkich, cichych i trwałych układów napędowych dla wiropłatów nowej generacji. Sikorsky Aircraft i Boeing uczestniczą w programie ART. (NASA –TM -103276 opublikował raport CSCL 13T, Memorandum techniczne 103276). Według NASA firma Sikorsky zastosowała materiał kompozytowy w obudowie przekładni śmigłowca CH-53E, kratownicy ładunkowej i wale tulei wirnika głównego . „Większą oszczędność masy można osiągnąć dzięki zastosowaniu kompozytowego materiału konstrukcyjnego. Konstrukcja przekładni ACA firmy Sikorsky Aircraft jest szczególnie podatna na włączenie kompozytów ze względu na geometryczną prostotę obudowy. Szacuje się, że zastosowanie lekkich kompozytów w przekładni zębatej skutkuje w redukcji masy o 700 do 800 funtów w porównaniu z materiałami podstawowymi”.
Samoloty Sikorsky szeroko reklamowały swoje postępy w opracowywaniu kompozytowych obudów przekładni do zastosowań w lotnictwie. W dniach 24-26 czerwca 1991 r. w Sacramento w Kalifornii firma Sikorsky Aircraft zaprezentowała fotografię swojej kompozytowej obudowy przekładni. Sikorsky użył materiału grafitowo-epoksydowego do produkcji kompozytowej obudowy przekładni. Kompozytowa obudowa przekładni została wyprodukowana z interfejsami łożysk identycznymi z oryginalną stalową obudową; sic „dlatego elementy wewnętrzne zmieszczą się w obudowie”.
W 1992 roku NASA kontynuowała reklamę materiałów kompozytowych do stosowania w układach mechanicznych przekładni lotniczych. Podczas konferencji AIAA/SEA/ASME/ASEE w Nashville, TN, 6-8 lipca 1992, NASA opublikowała zdjęcie opisujące jeden z proponowanych przykładów wykonania kompozytowej obudowy przekładni dla samolotu.
W swoich nieustannych wysiłkach na rzecz promowania stosowania lekkich materiałów kompozytowych w samolotach, NASA pozyskała kontrakt na opracowanie układu napędowego wiropłatów XXI wieku, powszechnie znanego jako RDS-21 (Rotorcraft Drive System 21). Program jest kierowany przez US Army Applied Aviation Technology Dyrekcja (AATD) Boeing została wyróżniona za udział w tym programie. Podczas gdy koła zębate czołowe stanowią dużą część tego programu, zastosowane zostaną również materiały kompozytowe wzmocnione włóknami. Jak stwierdzono we wspólnej publikacji NASA i Boeinga, nowa skrzynia biegów samolotu będzie zawierała wał kompozytowy i obudowę konstrukcyjną.