Karbonové hřídele a profily s voštinovým jádrem
Sendvičová konstrukce inspirovaná letectvím a kosmonautikou
Karbonové voštinové hřídele a profily
Lehká sendvičová konstrukce pro velké průměry, vysokou tuhost a náročné průmyslové aplikace
Ve společnosti 4tex jsme vyvinuli vlastní konstrukci karbonových hřídelí a profilů, která přenáší principy lehkých sendvičových struktur známých z letectví a kosmonautiky do průmyslových rotačních i nerotačních dílů.
Konstrukci tvoří vnitřní karbonová trubka, karbonové prstence, tvarované voštinové jádro a vnější karbonový plášť. Podle zatížení lze doplnit také podélné výztuhy, montážní prvky nebo lokální zesílení.
Výsledkem je lehká konstrukce s velkým vnějším rozměrem a vysokou ohybovou tuhostí, kterou lze přizpůsobit požadovanému zatížení, průhybu, krouticímu momentu, provozním otáčkám i způsobu použití.
Hřídele a uzavřené profily podle konkrétní aplikace
Poptat hřídel nebo profil
Když běžná karbonová trubka nestačí
U dlouhých hřídelí může být hlavním problémem nedostatečná tuhost a velký průhyb. U kratších hřídelí s velkým průměrem zase nemusí samotná nosná trubka tvořit většinu celkové hmotnosti. Významný podíl mohou představovat také rozměrné čepy, příruby a u pneumatických hřídelí velká vnitřní hadice.
Pouhá náhrada kovového těla karbonovou trubkou proto nemusí vždy přinést očekávanou úsporu hmotnosti ani požadovanou tuhost.
Voštinová konstrukce využívá menší vnitřní karbonovou trubku, kolem které je vytvořen velký konstrukční průměr. Vzdálenost mezi vnitřní a vnější karbonovou vrstvou výrazně zvyšuje ohybovou tuhost, aniž by bylo nutné celý průřez vyplnit těžkým materiálem.
Hřídel tak může být současně výrazně lehčí a dosahovat podstatně vyšší ohybové tuhosti než konstrukce založená pouze na běžné nosné trubce. Zmenšit lze také koncové čepy a u pneumatického provedení použít menší hadici a související komponenty.
Jak je voštinová konstrukce vytvořena
Základ tvoří průběžná vnitřní karbonová trubka. Na ní jsou v navržených vzdálenostech umístěny obráběné karbonové prstence.
Prostor mezi prstenci je vyplněn nejčastěji hliníkovou voštinou. Podle požadované únosnosti lze měnit:
- výšku voštinového jádra,
- velikost a hustotu buněk,
- vzdálenost mezi prstenci,
- tloušťku vnitřní a vnější karbonové vrstvy,
- provedení jednotlivých částí konstrukce.
Na připravené jádro je následně vytvořen vnější karbonový plášť. Vnitřní trubka, prstence, voština a vnější plášť společně vytvářejí lehkou sendvičovou konstrukci s vysokou ohybovou tuhostí.
Podélné výztuhy a nosný skelet
Pro přenos vyššího zatížení nebo krouticího momentu lze mezi jednotlivé prstence doplnit podélné karbonové, kovové nebo kombinované výztuhy.
Příčné prstence a podélné výztuhy pak vytvoří vnitřní prostorový skelet. Jednotlivá pole tohoto skeletu jsou vyplněna voštinou a celek je uzavřen vnějším karbonovým pláštěm.
Konstrukci je možné zesílit pouze v místech, kde je to skutečně potřeba. Hřídel tak nemusí být po celé délce navržena podle jednoho lokálně nejvíce zatíženého místa.
Přenos krouticího momentu a napojení čepů
Velký vnější průměr hřídele je vytvořen lehkou sendvičovou konstrukcí, zatímco zatížení od čepů lze přenášet do menší vnitřní karbonové trubky.
Koncové kovové díly proto nemusí kopírovat celý vnější průměr hřídele. Mohou být navrženy podle skutečného zatížení, rozměrů ložisek a způsobu napojení na stroj.
Pro přenos vyššího krouticího momentu může být konec hřídele vytvořen s mělkým šestihranným nebo jiným nekruhovým profilem. Odpovídající čep přenáší krouticí moment přes styčné plochy profilu, zatímco šrouby slouží především k axiálnímu zajištění spoje, pokud se nejedná o lepený spoj.
Toto provedení přináší:
- přenos momentu přes větší plochu,
- nižší zatížení spojovacích šroubů,
- menší riziko vymačkávání otvorů,
- přesné ustavení čepu,
- možnost přenosu vyšších krouticích momentů.
Pneumatická upínací voštinová hřídel
Voštinovou konstrukci lze dodat také jako pneumatickou upínací hřídel.
Velký vnější průměr je vytvořen lehkým sendvičem, zatímco uvnitř může zůstat menší nosná trubka a pneumatická hadice pouze takového průměru, jaký je skutečně potřebný pro ovládání výsuvných elementů.
Tím lze snížit:
- hmotnost pneumatické hadice,
- velikost koncového připojení,
- hmotnost kovových čepů,
- moment setrvačnosti,
- zatížení ložisek a pohonu,
- nároky na manipulaci.
Drážky pro výsuvné elementy lze umístit do předem zesílených částí konstrukce, takže se zatížení nepřenáší pouze přes vnější karbonovou stěnu, ale také do prstenců a vnitřního nosného skeletu.
Kruhové i atypické uzavřené profily
Karbonové prstence i voštinové jádro přesně obrábíme podle požadované geometrie.
Technologii lze využít nejen pro kruhové hřídele, ale také pro individuálně navržené uzavřené profily:
- plochooválné profily,
- čtvercové a obdélníkové profily,
- šestihranné a další mnohoúhelníkové profily,
- další individuálně navržené uzavřené profily bez konkávních částí.
Tvar musí umožňovat souvislé opletení a stažení vnějšího karbonového pláště. Nelze proto vytvářet profily s dovnitř směřujícími prohlubněmi, podříznutím nebo výraznými konkávními přechody.
Stejný konstrukční princip lze použít také pro lehké nosníky, ramena, rámy a další speciální kompozitní díly.
Integrované výztuhy a montážní body
Do vnitřní konstrukce lze před vytvořením vnějšího karbonového pláště vložit nosné nebo montážní prvky. Ty mohou být plně uzavřeny uvnitř profilu nebo mohou lokálně vystupovat skrze jeho povrch.
Při opletení lze svazky vláken vést kolem vystupujícího prvku. U jednosměrných výztuh lze vložku umístit mezi jednotlivé pásy nebo svazky vláken. Ve srovnání s dodatečným vyřezáním otvoru do hotového laminátu tak může být přerušeno podstatně méně nosných vláken; u vhodného tvaru lze hlavní svazky vláken vést kolem prvku bez jejich přerušení.
Montážní prvek lze současně propojit s karbonovými prstenci, podélnými výztuhami nebo vnitřní nosnou trubkou. Zatížení se proto nepřenáší pouze do vnějšího karbonového pláště, ale do větší části vnitřní konstrukce.
Do profilu lze integrovat například:
- kovové nebo karbonové výztuhy a pásoviny
- závitové vložky, kotevní a montážní body,
- lokální plné výplně nebo podklady pro následné vrtání nebo obrábění,
- prvky pro upevnění držáků, senzorů a dalšího příslušenství.
Kde dává voštinová konstrukce největší smysl
Voštinové provedení je vhodné zejména tam, kde běžná ocelová, hliníková nebo jednoduchá karbonová konstrukce naráží na své limity:
- příliš vysoká hmotnost,
- nadměrný průhyb,
- velký požadovaný průměr,
- dlouhá pracovní délka,
- vysoké zatížení,
- častá ruční manipulace,
- vysoké provozní otáčky,
- rychlé rozběhy a zastavení,
- těžké koncové čepy,
- požadavek na atypický profil nebo integrované prvky.
Pro menší rozměry a běžné zatížení může být vhodnější jednoduchá karbonová trubka. Voštinovou konstrukci doporučujeme tam, kde její možnosti přinesou skutečnou technickou nebo provozní výhodu.
Poptáváte lehkou a tuhou hřídel nebo profil?
Zašlete nám základní rozměry, zatížení a popis použití. Posoudíme, zda je pro vaši aplikaci vhodná běžná karbonová trubka, voštinová konstrukce nebo pneumatické upínací provedení.
Konkrétní únosnost, dovolený průhyb, přenášený krouticí moment a maximální provozní otáčky vždy ověřujeme podle rozměrů, uložení a zatížení konkrétní aplikace.