Koncept SKF Black Design

Koncept SKF
Black Design

Snižování hmotnosti představuje v současné době velkou výzvu pro letecký průmysl. Zvýšení výkonu nebo snížení emisí může poskytnout výrobcům významné výhody na konkurenčním trhu. Kompozitní materiály nabízejí řešení ve všech těchto oblastech.

Autoři:
Yves Mahéo, vývoj výrobků, SKF Aerospace, Châteauneuf-sur-Isère, Francie
Rémi Sarlin, inženýr vývoje produktů, SKF Aerospace, Châteauneuf-sur-Isère, Francie

Letectví a kosmonautika Výzkum a teorie

Úspora hmotnosti, jíž lze dosáhnout ve výrobě spojovacích dílů přechodem na kompozitní materiály, představuje výzvu vzhledem k působícímu mimo rovinnému zatížení. Pokud nemá dojít ke zvýšení nákladů, je nezbytné jednotlivé funkce integrovat.

SKF Solutions pomáhá dosáhnout těchto cílů prostřednictvím dvou hlavních futuristických technických řešení – SKF Black Design a integrace ložisek SKF.

1. SKF Black Design umožňuje vyrábět vysokovýkonné díly z materiálů zesílených vlákny, které jsou určené pro mimo-rovinné zatížení. Jakmile bude beze zbytku vyřešen způsob využití kompozitů pro výrobu spojovacích dílů, otevřou se těmto materiálům ve spojení s integrací takového ložiska zcela nové možnosti.

2. Integrace ložisek SKF ­umožňuje efektivním způsobem ­zabudovat ložisko do kompozitového dílu a zajistit pevné spojení s vnějším kroužkem ložiska nebo integrovat kloubové ložisko do kompozitového tělesa.

Tyto kompozitové technologie mohou vyřešit mnoho stávajících problémů:
 

  • snížit hmotnost stávajících kovových dílů spojením do jediného kompozitové řešení
  • integrovat nové funkce, jako např. snímače
  • vyřešit problém únavy cyklicky zatěžovaných dílů
  • zabránit korozi použitím materiálu, který je odolný proti korozivnímu prostředí
  • zabránit vzniku hluku a vibrací zvýšením tuhosti, posunutím těžiště nebo zabudováním tlumicích systémů

Zaměření 1: Vývoj kompozitních strukturálních dílů podle koncepce SKF Black Design

SKF Black versus gravitace

Tato technologie umožňuje navrhovat a vyrábět díly pro strukturální rozhraní z kompozitních materiálů. V leteckém ­průmyslu zaznamenává využití kompozitních materiálů prudký nárůst, avšak se současnými konstrukčními postupy lze dosáhnout jen mírného zlepšení mechanických vlastností. Tím je také omezen rozsah aplikací, v nichž se kompozitní materiály mohou uplatnit. Společnost SKF úspěšně vyřešila technický problém, který spočívá v náhradě kovových strukturálních spojovacích dílů lehkými a odolnými kompozitními součástmi. Výsledek mnohaletého výzkumu a vývoje se nazývá SKF Black Design. Společnost SKF dosáhla tohoto výjimečného výsledku změnou paradigmatu vývoje a výroby kompozitních dílů. V případě náhrady kovových dílů součástmi z kompozitních materiálů (přístup „černý kov“) ­přináší použití běžných konstrukčních postupů jen mírné zlepšení vlastností. U takových dílů může nadále docházet k rozpojení a delaminaci. SKF Black Design využívá matricový materiál (pryskyřici) v oblasti, pro níž se hodí nejlépe: pro zatížení tlakem. Z toho důvodu technici SKF vyvinuli nové formy, tvary a geometrii dílů, které zajišťují, že pryskyřice v části dílů vystavených působení zatížení mimo rovinu zůstanou stlačeny v celé tloušťce laminátu. Tím je dosaženo vyšší odolnosti proti smykovému napětí a současně se zamezí rozpojení. Použití kulových podložek představuje příklad inteligentního řešení, které prokazatelně výrazně zvyšuje pevnost dílu, protože brání případnému protlačení a dále zajišťuje působení tlakového zatížení na kompozitní díl.

Konstrukce se rovněž ­vyznačuje promyšleným zvlněním a pečlivě vyváženým využitím pevných vláken pro vyztužení. Všechny tyto znalosti využívá SKF Composite Centre ve prospěch svých partnerů.

Cílem snižování hmotnosti letadla je snížit spotřebu paliva a dopady na životní prostředí. Toto úsilí se projevilo 50% nárůstem využití kompozitních materiálů v nejnovější generaci civilních dopravních letadel. Většímu využití kompozitních materiálů v leteckém průmyslu však brání strukturální vlastnosti, které souvisejí s tradiční konstrukcí kompozitních dílů. SKF Black Design zajišťuje požadované strukturální vlastnosti spojením stávajících polymerů zesílených uhlíkovými vlákny (CFRP) s inovativními konstrukčními postupy. SKF Black Design rozšiřuje možnosti využití kompozitních řešení ve výrobě strukturálních dílů, které mají v porovnání se současnými řešeními založenými na využití kovu konkurenceschopný poměr hmotnost-náklady.

V leteckém průmyslu jsou nejčastěji používány kompozitní materiály vyrobené prokládáním impregnovaných vrstev z uhlíkových vláken na sebe. Pryskyřice přenáší zatížení mezi vlákny a zajišťuje soudržnost mezi vrstvami. Je to neobyčejně vhodné řešení pro trup, křídlo, rám a podélníky, protože laminát je vystaven působení především rovinného zatížení. V případě těchto geometrií vykazují uhlíková vlákna vysokou pevnost a tuhost ve směru orientace vláken, avšak ve směru kolmém k rovině vláken určuje vlastnosti materiálu pryskyřice. Pryskyřice je pojivo, které má ve srovnání s uhlíkovým vláknem nízkou pevnost (cca 50x nižší). Z toho důvodu lze využít kompozitní materiály jen s určitými omezeními k výrobě strukturálních dílů vystavených působení zatížení mimo rovinu, jako např. strukturálních spojovacích dílů (T-kování a výztuha) – viz obr. 1. Na kovové kování a patky s tradiční geometrií působí vlivy vyvolávající rozpojení a delaminaci. V případě kompozitních kování stejného tvaru způsobí stejný průběh zatížení oddělení vrstev CFRP vlivem napětí mezi vrstvami v pryskyřici v místě styku obou ramen, která svírají 90°. Tento jev se nazývá delaminace a dochází k němu při velmi nízkém zatížení. Díl poškozený takovým způsobem je  nepoužitelný.

Obr. 1: Příklad zatížení mimo rovinu.

Obr. 1: Příklad zatížení mimo rovinu.

V rámci řešení tohoto problému se průmysl kompozitních materiálů zaměřil na nové technologie, jako např. 3D tkaní a vysokovýkonné pryskyřice, které však využívá k výrobě dílů s tradiční geometrií (přístup „černý kov“). Pro takové řešení jsou typická výrazná omezení z hlediska mechanických vlastností a nákladové konkurenceschopnosti.

SKF Black Design umožňuje jiný přístup

SKF Black Design vychází z koncepcí, které řeší problém zatížení mimo rovinu přizpůsobením geometrie dílu.

První koncepce je založena na návrhu takové geometrie dílu a uspořádání vrstev, které zajistí stlačení pryskyřice při zatížení dílu v příslušné aplikaci. Pryskyřice vydrží mnohem vyšší namáhání v tlaku než v tahu, přičemž tlak rovněž zvyšuje její odolnost proti smykovému napětí. Tento přístup se běžně využíval v průběhu celé historie pozemního stavitelství při návrhu konstrukcí, jako např. oblouků a mostů, kdy konstrukce musí zajistit trvalé tlakové zatížení strukturálních dílů.

Obr. 2 ukazuje nedostatečnou pevnost pryskyřice namáhané tahem a vliv stlačení na odolnost pryskyřice proti smykovému napětí.

Obr. 2: Napěťový diagram pryskyřice.

Obr. 2: Napěťový diagram pryskyřice.

Společnost SKF využila tuto koncepci při návrhu strukturálního kování, pro něž vyvinula kulové podložky spolu s patkou z uhlíkových vláken. Tato konkrétní konstrukce zajišťuje přirozené stlačení pryskyřice v oblasti zatížení mimo rovinu (obr. 3). Navíc platí, že se vzrůstajícím zatížením dílu se odpovídajícím způsobem zvyšuje lokální stlačení zabraňující delaminaci v místě styku obou ramen, která svírají úhel 90°.

Obr. 3: Kulová podložka ve spojení s patkou z uhlíkových vláken.

Obr. 3: Kulová podložka ve spojení s patkou z uhlíkových vláken.

Při tahovém zatížení (obr. 4) působí kulová podložka lokálně tlakovým napětím na CFRP, které zajišťuje trvalé stlačení pryskyřice.

Obr. 4: Tahové zatížení kování.

Obr. 4: Tahové zatížení kování.

Při tlakovém zatížení (obr. 5) působí výztuha jako svěrný díl, který místně stlačuje CFRP. Výztuha umožňuje přesně přizpůsobit geometrii základny kování velikosti a montážním požadavkům příslušné aplikace.

Z toho důvodu kulové podložky a patky kování společně zajišťují trvalé stlačení pryskyřice při působení tlakových i tahových napětí ve směru kolmém k montážní rovině (tzn. Zatížení mimo rovinu). Selhání kování není v tomto případě vyvoláno mechanickými vlastnostmi pryskyřice. Kování SKF Black Design tedy umožňuje při dané geometrii a hmotnosti zlepšit mechanické vlastnosti a stabilitu.

Obr. 5: Tlakové zatížení kování.

Obr. 5: Tlakové zatížení kování.

Druhá koncepce SKF Black Design je založena na využití speciálních tvarů, které zajistí mechanickou stabilitu a tuhost kování. Zaoblené přechody v místě styku obou ramen nahrazují poměrně ostrý úhel 90° běžný u kovového kování. Tyto přechody vyrovnají uhlíková vlákna v odpovídajícím směru. Tím brání předčasnému rozpojení a dále zajišťují mechanickou stabilitu a tuhost kování. Tuto koncepci lze s výhodou použít pro výztužné patky (obr. 6).

Obr. 6: Srovnání kovových výztužných patek a patek SKF Black Design.

Obr. 6: Srovnání kovových výztužných patek a patek SKF Black Design.

Kromě toho je možné koncepce SKF Black Design využít společně v jediném spojovacím dílu. Např. koncepce trvalého stlačení pryskyřice a specifické tvary zvyšující tuhost lze uplatnit při návrhu T-kování, které ukazuje obr. 7.

Obr. 7: Srovnání kovového kování s kováním SKF Black Design

Obr. 7: Srovnání kovového kování s kováním SKF Black Design

V rámci ověření těchto ­koncepcí byly testovány výztužné patky a kování ve zmenšeném měřítku i ve skutečné velikosti na zařízeních pro tahové a tlakové zkoušky, které zachycuje obr. 8.

Obr. 8: Zařízení pro tahové a tlakové zkoušky – výztuha (vlevo) a výztuha (vpravo) navržené podle koncepce SKF Black Design.

Obr. 8: Zařízení pro tahové a tlakové zkoušky – výztuha (vlevo) a výztuha (vpravo) navržené podle koncepce SKF Black Design.

Na základě vývoje těchto koncepcí byla zpracována studie a byla ověřena různá kompozitní strukturální spojovací kování. Výsledky byly porovnány se srovnatelným kovovým strukturálním kováním. Kompozitní díly vyráběné podle koncepce SKF Black Design mají o více než 40 % nižší hmotnost ve srovnání s kovovými díly se stejnými mechanickými vlastnostmi.

Závěr

SKF Black Design umožňuje navrhnout koncepci lehkých, vysokovýkonných strukturálních spojovacích dílů z CFRP a vyrobit takové díly, které jsou přímo určeny pro přenášení zatížení mimo rovinu. SKF v současné době vyvíjí mechanické modely a číslicové simulační nástroje, které umožní navrhovat a analyzovat kompozitní strukturální kování pro letecký průmysl.
     

Obchodní kontakty

evolution@skf.com

Zaměření 2: Integrace ložisek

Toto technické řešení SKF umožňuje zabudovat ložiska přímo do kompozitních strukturálních dílů. Pro společnost SKF, která zaujímá vedoucí postavení na světě v oblasti konstrukce a výroby valivých a kluzných ložisek, to představuje naprosto přirozený rozvoj jejích schopností ve výrobě spojovacích dílů z kompozitních materiálů. SKF vyvíjí řešení pro spojovací díly, které umožní integrovat kloub do kompozitního dílu. V závislosti na požadavcích aplikace může být použito kuličkové či kluzné ložisko anebo kloubové ložisko.

V současné době jsou vyvíjeny dvě řady spojovacích dílů:
 

  • integrace ložiska do kompozitního konstrukčního dílu s využitím vlastních specifických řešení, která umožňují vytvořit spolehlivé vysokopevnostní spojení vhodné pro široký rozsah teplot, velká zatížení a vysoké rychlosti
  • přímý kluzný styk vnitřního kroužku s kompozitním povrchem, především kloubových ložisek, který je určen pro řešení zajišťující vysokou odolnost proti opotřebení, nízké tření a vysokou spolehlivost.

Tato technická řešení jsou naprosto průlomová a převratná: Umožňují snížit hmotnost v provozních podmínkách a rovněž integrovat klouby, protože tváření ve formě umožňuje vyloučit navazující operace a zjednodušit výrobní proces.

Síla integrace funkcí

Snaha o co největší snížení hmotnosti může v případě rozsáhlejšího využití vysokovýkonných kompozitních materiálů často vyvolat zvýšení nákladů. To platí především pro změny prováděné na úrovni samostatných dílů.

V současné době je považována za vhodné řešení tohoto problému zvláště konsolidace systémů. Konsolidace umožňuje zcela jasně snížit počáteční náklady, protože je možné vyloučit montážní operace a sloučit výrobní časy. Také tento přístup však brzy dosáhne svých mezí, pokud se neposune na vyšší úroveň.

Omezení konsolidace ve prospěch zajištění stejné úrovně vlastností všech dílů má často za následek nedostatečné využití veškerých možností kompozitních ­materiálů, plýtvání materiálem a zbytečně vysoké náklady. Vhodnější přístup bere v úvahu veškerá hlediska individuálních vlastností, nákladů, procesu a příležitostí.

Pokud se např. zaměříme na tuhost, dosažení požadované tuhosti u všech dílů by mohlo vyžadovat rozsáhlé využití uhlíkových vláken v některých dílech, zatímco v případě jiných dílů by stačila skelná vlákna. Výsledkem by bylo zvýšení materiálových nákladů anebo by se mohlo dokonce ukázat, že integraci ani nelze uskutečnit. Jestliže je však tuhost jako systémová funkce rozdělena v rámci celého systému, lze prokázat správnou funkci systému, přičemž náklady jsou nižší. Tento přístup umožňuje kombinovat několik požadovaných funkcí v rámci jedné optimalizované konstrukce, jako např. tuhost, hmotnost a tlumení.

Právě tuto výhodunabízí inte­grování funkcí SKF Black Design: integrace funkcí v kompozitním dílu zajišťuje velmi dobrou výkonnost systému.

Související obsah