ПРИВОДНОЙ ВАЛ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DRIVE SHAFT MADE OF COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к силовому приводу мобильных и стационарных машин, в которых между ведущим и ведомыми агрегатами наблюдаются относительные перемещения. Изобретение может быть использовано в судостроении, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности.
Полые приводные валы, широко используемые в различных отраслях машиностроения, предназначены для передачи крутящих моментов между узлами и агрегатами механизмов. При такой нагрузке максимальные главные внутренние напряжения в материале вала направлены под углом 45 градусов к образующей вала.
Одновременно с основной действующей нагрузкой - крутящим моментом, в валах возникают осевые сжимающие или растягивающие усилия, определяемые конструктивным исполнением конкретного механизма, которые приводят к возникновению осевых деформаций и, соответственно, относительных перемещений частей вала. В случае совместного действия осевых сил и крутящего момента направление действия максимальных главных напряжений отличается от 45 градусов.
Сохранение геометрических параметров при эксплуатации или их изменение в заданном диапазоне определяется жесткостью конструкции. Возможность получения сравнительно больших удлинений вала позволяет повысить работоспособность конструкции, например, при действии изгибных деформаций вала или при относительных перемещениях ведущего и ведомого агрегатов.
Кроме того, для валов одним из важных параметров является величина частоты собственных колебаний, которая напрямую зависит от жесткости вала и которую приходится обеспечивать за счет изменения жесткости вала.
Известен карданный вал повышенной упругости по патенту RU 2457121 С2, МПК В60К 17/22 (2006.01), F16F 15/00 (2006.01), опубл. 20.08.2011, в котором, с целью повышения упругих характеристик конструкции, по поверхности вала выполнены поперечные сквозные отверстия круговой формы - просветы.
Недостатками известной конструкции являются сравнительно большая масса, определяемая используемым материалом - сталью, и сравнительно небольшой диапазон возможного изменения упругих характеристик, так как получаемые деформации, даже при наличии отверстий, определяются упругими деформациями стали, которые сравнительно малы. Использование отверстий иной формы значительно увеличит трудоемкость изготовления, что скажется на экономической эффективности.
Известен приводной вал из волокнистых композиционных материалов по патенту RU 2122663 C1, МПК 6 F16C 27/00, опубл. 27.11.1998, выполненный в виде сплошных слоев переменной по толщине жесткости.
Недостатком известного приводного вала являются сравнительные низкая прочность и деформативность, ввиду расположения нитей в окружном и осевом направлениях.
Известная конструкция приводного вала по патенту RU 2457121 С2, МПК В60К 17/22 (2006.01), F16F 15/00 (2006.01), опубл. 20.08.2011, является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции приводного вала с высокой жесткостью и прочностью при действии крутящих моментов при повышенной податливости в осевом направлении.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении эффективности конструкции за счет расширения диапазона возможного изменения жесткостных характеристик с одновременным повышением массовой эффективности.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что приводной вал с распределенными по поверхности поперечными просветами и элементами крепления на торцах согласно изобретению выполнен из композиционного материала в виде двух систем взаимопересекающихся спиральных стержней, симметрично развернутых относительно оси и равномерно распределенных по окружности с образованием просветов с ромбовидными ячейками, с кольцевыми шпангоутами на торцах, при этом стержни выполнены на основе пропитанного связующим непрерывного однонаправленного армирующего материала, а шпангоуты на основе пропитанного связующим тканого и/или непрерывного однонаправленного армирующего материала, и весь армирующий материал стержней и шпангоутов расположен слоями с равномерным чередованием по толщине в узлах взаимных пересечений, причем в частных случаях выполнения изобретения непрерывный однонаправленный армирующий материал выполнен на основе углеродных или стеклянных нитей, тканый армирующий материал выполнен на основе углеродных или стеклянных нитей или их комбинации, шпангоуты на торцах выполнены разного диаметра, спиральные стержни выполнены с переменным шагом спирали по оси вала, стержни выполнены прямоугольного сечения с расположением меньших сторон по наружной и внутренней поверхностям вала, стержни выполнены из армирующего материала разной прочности и/или жесткости, расположенного по толщине в определенной последовательности.
Отличительными от прототипа признаками заявленного приводного вала являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- вал выполнен из композиционного материала в виде двух систем взаимопересекающихся спиральных стержней,
- симметрично развернутых относительно оси,
- и равномерно распределенных по окружности с образованием просветов с ромбовидными ячейками,
- с кольцевыми шпангоутами на торцах,
- при этом стержни выполнены на основе пропитанного связующим непрерывного однонаправленного армирующего материала,
- а шпангоуты на основе пропитанного связующим тканого и/или непрерывного однонаправленного армирующего материала,
- и весь армирующий материал стержней и шпангоутов расположен слоями с равномерным чередованием по толщине в узлах взаимных пересечений;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- непрерывный однонаправленный армирующий материал выполнен на основе углеродных или стеклянных нитей,
- тканый армирующий материал выполнен на основе углеродных или стеклянных нитей или их комбинации,
- шпангоуты на торцах выполнены разного диаметра,
- спиральные стержни выполнены с переменным шагом спирали по оси вала,
- стержни выполнены прямоугольного сечения с расположением меньших сторон по наружной и внутренней поверхностям вала,
- стержни выполнены из армирующего материала разной прочности и/или жесткости, расположенного по толщине в определенной последовательности.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна, и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Основным свойством композиционного материала на основе пропитанного связующим однонаправленного непрерывного армирующего материала - жгутов или нитей, является резкая анизотропия физико-механических свойств, проявляющаяся в том, что максимальные прочностные и жесткостные характеристики в таком материале реализуются в направлении расположения армирующего материала - жгутов или нитей и минимальные характеристики в поперечном направлении. Реализуемые в поперечном направлении характеристики определяются в основном характеристиками связующего, которые значительно ниже, чем у жгутов или нитей. Причем композиционные материалы на основе современных армирующих материалов имеют прочность и жесткость в направлении расположения жгутов (нитей), близкую, а в некоторых случаях и превышающую, соответствующие характеристики сталей.
Заявляемый приводной вал в виде взаимопересекающихся спиральных стержней изготавливается из композиционного материала путем непрерывной намотки пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала на оправку. Армирующий материал и получаемые на его основе стержни располагаются по направлениям действия максимальных внутренних напряжений для данного вида нагрузки, что обеспечивает максимальную эффективность использования материала. Необходимое для обеспечения требуемой прочности количество армирующего материала определяется по величине действующей нагрузки и распределяется равномерно между стержнями, что обеспечивает необходимую прочность. Стержни отнесены друг от друга в осевом и окружном направлениях с образованием просветов. Отрезки стержней, обрамляющие просветы, образуют ячейки, механика деформирования которых определяет жесткость вала. При внешней нагрузке ячейка изменяет свои размеры в осевом и кольцевом направлении за счет продольных деформаций стержней и их изгибом в ячейках, при этом вторая составляющая гораздо значительней. Изменяя ширину δ и толщину (высоту) h стержней, при сохранении площади их поперечного сечения, длину отрезков стержней  в ячейке (габарит ячейки) и угол наклона φ стержней к образующей вала, можно, при постоянной прочности и жесткости вдоль армирующего материала, изменять осевую жесткость вала в достаточно широком диапазоне. При увеличении ширины стержня до смыкания с соседними образуется сплошная поверхность максимальной жесткости. Стержни в узлах взаимных пересечений и пересечений со шпангоутами жестко соединены между собой за счет послойного чередования непрерывного армирующего материала.
3
Линейные перемещения предлагаемой конструкции вала, определяемые деформированием единичной ячейки, при кручении идентичны перемещениям при растяжении и сжатии стержней, которые пропорциональны /(hδ), а перемещения при изгибе или осевом деформировании с изгибом стержней пропорциональны /(hδ), что значительно выше, чем при продольном растяжении. В связи с этим вал может использоваться в механизмах, где передаются большие крутящие моменты, но торцы вала могут смещаться относительно друг друга (карданные валы автомобилей, приводные валы кораблей).
Расположенные на торцах вала кольцевые шпангоуты представляют собой монолитные кольца, предназначенные для расположения элементов крепления, например элементов штифто-шпилечного соединения.
Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемого приводного вала дополняется частными случаями исполнения, при которых могут меняться физико-механические и эксплуатационные характеристики за счет использования различных армирующих материалов, за счет изменения габаритной геометрии - диаметров шпангоутов, за счет изменения шага спиральных стержней.
Для изготовления заявляемой конструкции вала необходимо стандартное оборудование, используемое при изготовлении оболочек из композиционных материалов методом намотки. Дополнительных операций, оборудования и инструмента в зависимости от размера ячеек или их отсутствия не требуется.
Предлагаемая конструкция приводного вала достаточно технологична, т.к. получение всех геометрических параметров обеспечивается в процессе одной операции - намотки, а за счет использования композиционного материала она получается значительно меньшей массы по сравнению с металлической.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявленная конструкция приводного вала из композиционных материалов, на фиг. 2, вид А представлен вид ячейки из отрезков спиральных стержней.
Приводной вал из композиционных материалов 1 выполнен в виде двух систем взаимопересекающихся спиральных стержней 2 и 3 с образованием ромбовидных ячеек и торцевых шпангоутов 4. Кривая 5 отображает качественную картину деформирования ячейки при действии осевых растягивающих сил Р.
Проектно-расчетные проработки и экспериментальные исследование конструкции показали высокую эффективность предложенной конструкции. Изготовление экспериментальных образцов проводилось на промышленном оборудовании для серийного производства изделий из композиционных материалов.