Gépjármû kerék-terhelésmérõ mérleg gyártása szálerõsítésû polimerbõl

Átírás

1 Prototípus gyártás Gépjármû kerék-terhelésmérõ mérleg gyártása szálerõsítésû polimerbõl HATALA MÁRK * tanszéki mérnök SIMON ZOLTÁN * egyetemi tanársegéd 1. Bevezetés A hazai közutak állapota (nyomvályúk kialakulása és kátyúk képzõdése) jelzi, hogy nagyszámú túlsúlyos (a megengedettnél nagyobb kerék-, illetve tengelyterheléssel rendelkezõ) jármû közlekedik rajtuk. A gazdasági kár jelentõs, emellett növekszik a balesetek kockázata, az állandó útjavítások pedig rendszeresen forgalmi torlódásokat okoznak. Egy amerikai jelentés szerint, egy 40 tonna össztömegû jármû amortizáló hatása 9600 átlagos személygépkocsi hatásával egyenértékû [1]. A túlsúlyos jármûvek kiszûrésére az útügyi hatóságok hordozható és fix telepítésû mérlegek használatát írták elõ. Cikkünkben bemutatjuk a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉK-en elkészített alacsony kb. 40 mm építési magasságú, telepíthetõ, illetve hordozható elektronikus, kompozit anyagú mérleg kifejlesztését a tervezéstõl a gyártáson keresztül az alkalmazásig. 2. Célok A kompozit mérleggel szemben támasztott legfõbb követelmények a következõk voltak: legyen alkalmas fúvott gumiabronccsal ellátott gépjármûvek kerék- és tengelyterhelésének mérésére, minimális karbantartást igényeljen, egy személy által legyen mozgatható, ezért a teherfelvevõt úgy kell kialakítani, hogy azt bárhogyan, bármilyen irányból megfogva kézzel lehessen szállítani, méretek: mm (menetirány szerinti hossz/szélesség/magasság), süllyesztékben és sík útfelületre helyezve is használható legyen, névleges terhelhetõsége 10 tonna legyen, törési biztonsága a névleges terhelhetõség másfélszerese legyen, a mérlegcella cserélhetõ legyen, a mérõcella teherfelvevõvel érintkezõ felülete a lehetõ legnagyobb legyen a felületi terhelés miatt, minimális lehajlás maximális terhelésnél. A fentiek alapján a terv a következõ volt: a mérlegtest polimer mátrixú kompozit anyagból készüljön, a nemzetközi normáknak megfelelõen ergonomikus és könnyû legyen, a mérlegtest és a digitális kijelzõ közötti kommunikáció kábel nélkül, rádiós adatátvitellel történjen, a mérleg névleges maximális terhelése 10 t, pontossága a C hõmérséklet tartományban legyen kisebb ±50 kg-nál. 3. Felhasznált anyagok Elõkísérleteinkhez üveg-, aramid- és szénszálat használtunk. Az üveg- és aramidszál kisebb rugalmassági modulusza miatt nem sikerült kellõen merev mérleglapot létrehozni, csak a szénszál vezetett megfelelõ eredményre. Mivel viszonylag nagy vastagság elérése volt a cél, ezért nagyobb négyzetmétersúlyú szénkelmét választottunk, mert az lényegesen olcsóbb, mint a finom szövet. Annak érdekében, hogy ez ne okozzon magasabb gyantatartalmat ezáltal alacsonyabb száltartalmat, egyirányú (unidirekcionális) kelmét használtunk. Az unidirekcionális szálelrendezés további elõnye, hogy a rétegeket elforgatva irányíthatók a laminát mechanikai jellemzõi, és a nem hullámos, egyenesen futó szálak miatt jobbak a laminát dinamikus mechanikai jellemzõi is. Erõsítõanyagként a ZOLTEK RT. Panex 35 típusú, 50k-s, folyamatos szénszál rovingból készült unidirekcionális kelméjét alkalmaztuk,mely egy irányban lefektetett szén rovingokból áll, ezeket egymás mellé 34 tex finomságú E-üveg és 76 dtex finomságú poliészter fonal rögzít, a kötõanyaga epoxi por. Az elõkísérletek során többféle gyantát használtunk, végül epoxigyanta mellett döntöttünk. Az epoxigyanták érzékenyek a munkatér hõmérsékletének változására, ám lényegesen jobban kézben tartható fazékidejük, mint pl. a poliészter gyantáké. Megfelelõ térhálósító alkalmazásával a fazékidõ óra is lehet, ami alatt már szinte bármilyen méretû és geometriájú termék elkészíthetõ. A gyártási idõ és költségek csökkentése érdekében minél kisebb viszkozitású gyantát választottunk, aminek a felhasználhatósági ideje különbözõ térhálósítókkal jól szabályozható. Mindezen követelményeknek a HAVEL COMPOSITES LH 160 epoxi gyanta a Ha 136 térhálósí- * BME Polimertechnika Tanszék évfolyam, 4. szám

2 tóval tett eleget. A fazékidõ 6 7 óra, az exoterm hõmérsékletcsúcs C, ha szobahõmérsékleten megy végbe a térhálósodás, akkor a teljes kikeményedés 24 óra. 4. Gyártástechnológia A mérleglap lehetõ legnagyobb merevsége érdekében minél magasabb száltartalomra, minél alacsonyabb pórustartalomra és reprodukálható minõségre kell törekedni. E követelmények, valamint a lemez geometriai kialakítása miatt az injektálás és a prepreg fektetés jöhet szóba, ám a prepreg eljárás lényegesen költségesebb, ezért vákuuminjektálás mellett döntöttünk. A szerszámba erõsítõanyag rétegeket fektettünk, majd lezártuk, és vákuumszivattyú segítségével a térhálósítóval összekevert gyantát a szerszámüregbe juttatjuk. Alapvetõen két módszert különböztethetünk meg. Az egyik esetben mindkét szerszámfél merev (pl. alumínium, kompozit), a másik és gyakoribb eljárásnál pedig csak az egyik szerszámfél merev, a másik szerszámfél valamilyen rugalmas anyag, pl. vákuumfólia. A vákuuminjektálásos eljárás vázlata az 1. ábrán látható. 1. ábra. A vákuuminjektálás általános elrendezése [3] A mátrix a száraz erõsítõanyagot tartalmazó zárt szerszámüregbe szívódik. A gyantafront a nyomáskülönbség hatására az elszívócsonk felé tart és a szálak között rekedt légzárványokat magával viszi a gyantacsapdába. A gyártáselõkészítés egyik fontos lépése az elszívó csonkok számának meghatározása, azok megfelelõ pozícionálása, amit a termék mérete és geometriája jelentõsen befolyásol. A gyantabetáplálás egészen addig tart, amíg az elszívó csonkoknál kiáramló gyanta buborékmentes nem lesz, ekkor az injektálás befejezettnek tekinthetõ. Fûthetõ, speciális szerszámok esetében ilyenkor hõ hatására a térhálósítás felgyorsítható és az utótérhálósítás a szerszámban is történhet. A mátrixanyag térhálósodását követõen a szerszám nyitható, amelybõl rendszerint egy még utómegmunkálást igénylõ félkészterméket vehetünk ki. Az általunk alkalmazott egyoldali, merev szerszám egy 20 mm vastag üveglap volt. A síklapra PET fóliát erõsítettünk, amelyre formaleválasztó pasztát hordtunk fel, majd políroztuk a felületet. Közvetlenül a fóliára a gyanta terjedését elõsegítõ hálót terítettünk. A speciálisan erre a célra kifejlesztett, poliamidból készült, ún. tépõszöveten felépítettük a száraz szénszálas erõsítõkelmébõl a kívánt rétegrendet. A rétegfelépítés meghatározásakor fõ szempont volt, hogy a mérleglap szimmetrikus rétegrendû, kvázi izotrop tulajdonságú legyen. A rétegek szélén helyeztük el a perforált gyantavezetõ csatornát, amibe az injektálás folyamán két helyen tápláltuk be az epoxi mátrixanyagot. Az erõsítõrétegek tetejére tépõszövetet terítettünk. Elhelyeztük a vákuum egyenletes eloszlását, illetve a mátrixanyag áramlását segítõ polipropilén vliest és hálórétegeket. Az elszívó csonkokat a termék hosszanti szimmetria tengelyére pozícionáltuk. A vákuumfóliával lezárt szerszámból vákuumszivattyúval kiszívtuk a levegõt, majd a gyanta bevezetõ csöveken keresztül bejutattuk a mátrixanyagot. A térhálósodást követõen a szerszámot szétbontottuk (eltávolítottuk a termékrõl a tépõszövetet és a speciális hálókat), majd az utótérhálósítás következett (5 óra 60 C-on). A gyártás során nem lehet a szükséges geometriai méreteket pontosan beállítani, ezért a termékbõl oldalanként kb mm-t még le kellett munkálni. 5. Vizsgálatok A mérleglap feszültségállapotának és egyéb paramétereinek modellezéséhez próbatesteken vizsgáltuk az anyagtulajdonságokat. Mérésekkel ellenõriztük továbbá a végeselemes modellezés pontosságát is. Kézi laminálással, illetve vákuuminjektálással készített próbatesteken sûrûséget, száltartalmat, vastagságot és felületi tömeget mértünk. A kézi laminálással készült, egy irányban erõsítõanyagot tartalmazó próbatesteket szakítottuk, a [0 3 /90 3 /45 2 / 45 2 /0/90/45/ 45] S rétegfelépítésû, injektált lemezbõl kivágott próbatesteket pedig hárompontosan hajlítottuk. A vákuuminjektált próbatestek sûrûsége 1,46 g/cm 3 - nek adódott. A száltartalmat a mátrixanyag kiégetésével határoztuk meg (2a. ábra) az ASTM D 2584 szabvány alapján [4], melynek során az epoxigyanta kb. 650 C-on kiég a nagy hõállóságú szálak közül (2b. ábra). A vizsgálat kezdetén mért kompozit minta tömegének, illetve a mátrix kiégetése után visszamaradt erõsítõanyag tömegének arányából számítható a tömegre vo Sûrûség és száltartalom meghatározás A sûrûség meghatározásához a próbatestek tömegét levegõn, majd alkoholba (etanol) merítve mértük, a kapott értékekbõl az (1) egyenlet alapján határoztuk meg a sûrûséget: mlevegõ ρ kompozit = ρalkohol (1) m m levegõ alkohol évfolyam, 4. szám 139

3 2. ábra. A mátrixanyag kiégetése (a), a minta kiégetés elõtt (b) és után (c) natkoztatott száltartalom, majd a szénszál és a kompozit sûrûségének ismeretében a térfogati száltartalom: ρ ϕ = ρ kompozit szál m m szál kompozit (2) A kézi laminálással készült próbatestek száltartalma ϕ = 35,4 térfogat%, míg az injektálással készült hajlító próbatestek száltartalma ϕ = 40,1 térfogat% volt Szakító- és hajlítóvizsgálatok A kézi laminálással készült, unidirekcionális erõsítésû próbatesteket a rétegjellemzõk vizsgálatához használtuk. A kompozit száltartalma, valamint a szál és a mátrix rugalmassági moduluszának ismeretében, a keverési szabály alapján kiszámítottuk a kompozit szálirányú rugalmassági moduluszát: E kompozit = E szál ϕ + E matrix (1 ϕ) (3) Szakítóvizsgálatokkal ellenõriztük, hogy a számítás mennyire pontosan írja le az anyag valódi viselkedését. A mintákat az ISO szabvány alapján, Zwick Z 020 univerzális szakítógépen, 2 mm/perc terhelési sebességgel szakítottuk, a nyúlást Zwick BW videoextenzométerrel határoztuk meg. Az eredmények alapján megállapítottuk, hogy a szénszál esetében nem számolhatunk az adatlapjában szereplõ 242 GPa-os rugalmassági modulusszal, ehelyett 180 GPa-t célszerû használni a modellezésnél. A végeselemes modellezéshez szükséges E 2 rugalmassági moduluszt, az ezzel járó keresztkontrakciót jellemzõ ν 21 Poisson-tényezõt és a G 12 csúsztató rugalmassági moduluszt a szakirodalmi [2] értékek alapján határoztuk meg. A vákuuminjektált lemezekbõl két irányban kivágott próbatesteket hárompontos hajlítással vizsgáltuk, ahol a két irány a kompozit felsõ rétegével párhuzamos (0 ), illetve arra merõleges (90 ) volt. Az MSZ EN ISO szabvány szerint, 2 mm/perc terhelési sebességgel dolgoztunk. Az alátámasztási távolság a vastagság ~20-szorosa, 206 mm, a próbatestek névleges szélessége b = 56 mm volt (3. ábra). 3. ábra. Erõ-lehajlás diagram A kezdeti szakaszt leszámítva a görbe lineáris, emiatt lineáris analízis alkalmazható a végeselemes modellezéskor. A terhelõerõ-lehajlás karakterisztika ismeretében a [0 3 /90 3 /45 2 / 45 2 /0/90/45/ 45] S rétegrendû injektált próbatestek hajlító rugalmassági modulusza 46,6 GPa (0 jelû minta), illetve 32,9 GPa (90 jelû minta) volt. 6. Végeselemes modellezés A végeselemes modell (VEM) alkalmazhatóságának és megbízhatóságának vizsgálatához a hárompontos hajlítást modelleztük, és ezt a kísérleti eredményekkel öszszevetettük. A mért és modellezett lehajlások eltérése minimális (<5%) volt, tehát a modell megfelelõ pontossággal írja le a próbatest valós viselkedését. A VEM célja a termék deformációjának csökkentése, melyhez a következõ lehetõségeket vizsgáltuk: anyagtulajdonság javítása, vastagság növelése, a cellák számának és elhelyezésüknek, illetve a rétegrend optimálása. A modell geometriája megegyezett a mérlegtest méreteivel, azaz mm felületû téglatesttel Anyagtulajdonság A kompozit rendszerek mátrixanyagainak tulajdonságai nincsenek jelentõs hatással a kétfázisú rendszer mechanikai teljesítõképességére. Ezzel ellentétben az erõsítõszálaké meghatározók. Megvizsgáltuk, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható, jobb mechanikai teljesítõképességû erõsítõszálak alkalmazása esetén milyen lehajlás csökkenés érhetõ el. Eredményeink szerint, a szál rugalmassági moduluszának növelése arányosan csökkenti a deformációt, de a többszörös ár miatt ez nem kifizetõdõ. Kompozit rendszereknél az erõsítõanyag tulajdonságain kívül annak adott térfogatban elfoglalt hányada (térfogategységre vonatkoztatott száltartalom) is meghatározó. A vákuuminjektálásos technológiával elérhetõ évfolyam, 4. szám

4 maximális száltartalom ~40 45 térfogat%, míg RTM, prepreg fektetés esetén elérheti a ~60 65 térfogat%-ot is. Ezekhez a high-tech technológiákhoz jó minõségû, más kiszerelésû erõsítõanyagok (pl. prepreg) tartoznak. Mindezek következménye, hogy a termék ára magas, így az nem lehet versenyképes a piacon. 1. táblázat. Különbözõ típusú modellezési módszerek Modell típusa Mért lehajlás, mm Számított lehajlás, mm A 3,32 2,79 B 4,05 4, Vastagság 6.4. Rétegfelépítés A vastagság hatásának vizsgálatából kiderült, hogy A rétegrend optimálása során mindkét terheléstípusra adott lehajlás választ vizsgáltuk. Amennyiben a két alacsony fajlagos elõállítási költségnövekedés mellett jelentõs merevségnövekedés érhetõ el. Ennek ismeretében terhelési esetet nézzük, akkor a [0 úgy döntöttünk, hogy az elsõ munkaszakaszban vizsgált 6 /90 6 /45 4 / 45 4 /0 2 /90 2 / 45 lapok vastagságát megduplázzuk, így kb. 20 mm vastag 2 / 45 2 ] S rétegrend nem adhat kellõ merevséget, hiszen lappal dolgozunk tovább. Ez azt jelentette, hogy az eredeti [0 3 /90 3 /45 2 / 45 2 /0/90/45/ 45] S rétegfelépítés he- a külsõ rétegek a mérleg hosszanti irányával párhuzamosak, ebben az irányban a cellák középpontjainak távolsága 370 mm, míg a rövidebb oldalnál 410 mm ez a méret. lyett [0 6 /90 6 /45 4 / 45 4 /0 2 /90 2 /45 2 / 45 2 ] S rétegrendet alkalmaztunk. Ezt a feltevésünket megvizsgálva felcseréltük a 0, illetve 90 fokos rétegeket a laminátban, azaz [90 6 /0 6 /45 4 / 6.3. Cellák száma, illetve elhelyezése 45 4 /90 2 /0 2 /45 2 / 45 2 ] S rétegrenddel számoltunk. A VEM szimuláció a következõ eredményeket mutatta: A végeselemes szimulációk elsõ lépéseként négy A típus 2,34 mm, B típus 4,96 mm. Annak ellenére, mérlegcellát használtunk, amelyek elhelyezkedése nagymértékben befolyásolja a lehajlást. A cellákat a lap szé- hogy a B típus lehajlás értéke kicsit nagyobb volt, a lehajlás eloszlását a teljes felületen megjelenítve megállapítottuk, hogy a [90 6 /0 6 /45 4 / 45 4 /90 2 /0 2 /45 2 / 45 2 ] S réleitõl a lap közepe felé mozgatva jelentõs merevségnövekedés érhetõ el. Amennyiben a cellák középpontját tegrend alkalmasabb a mérlegtest felépítéséhez. úgy helyezzük el, hogy a mérõcella széle a mérlegtest Természetesen létezhet olyan rétegfelépítés, ami merevebben viselkedik, de figyelembe kell venni azt is, szélével egy síkba essen, illetve attól mm-re legyen, akkor az azonos terhelési szint mellett mérhetõ lehajlás a felére csökken. Ezzel együtt a lap stabilitása is hogy a gyártás során 0 vagy 90 foktól eltérõ szálirányú rétegek kivágása meglehetõsen bonyolult, hosszú ideig romlik. Fel- és lehajtáskor ugyanis a lap széleire ható tart és a vágási hulladék is több. terhelés miatt a nem megfelelõen alátámasztott mérleg A mérleglap összeállításakor a mérlegcella helyeket felbillenhet, ezért a gyakorlatban erõsen korlátozott a marással kell kialakítani a mérlegtestben (4. ábra). Ez merevség növelésének ezen módja. Négy mérõcellát alkalmazva már 4 tonna terhelésnél is meglehetõsen nagy merevségcsökkenéssel jár, a csökkenés mértékét az eddig alkalmazott modell nem képes még megközelítõen a mérlegtest deformációja. A modellezett érték ~16 mm sem jelezni, ehhez kísérletekre volt szükség. volt, a mérlegcella ilyen nagy elfordulásnál nem képes pontos értéket mérni. 7. Merevség és pontosság vizsgálata Figyelembe véve, hogy a mérlegtest vastagságát tovább nem növelhettük, hat mérõcellát építettünk be. Ez A teljes méretû, 20 mm vastag, 6 erõmérõ cellával a megoldás még mindig jóval költséghatékonyabb, mint felszerelt, kimunkált mérlegtest vizsgálata során valós más típusú erõsítõanyag (prepreg vagy jobb mechanikai terhelési körülményekre törekedtünk, így a terhelést jellemzõkkel bíró szénszál) beszerzése. A hat mérlegcella alkalmazása felveti azt a problémát, miszerint a várharesztül vezettük be a mérlegtestbe a modellezés során is- minden esetben egy 270 mm átmérõjû körfelületen ketó legnagyobb deformációt nem a mérlegtest középen, mertetett kétféle módon (5. ábra, 2. táblázat). hanem a félméretû mérleget ( mm) a közepénél A mérlegtest az erõmérõ cellák pontos mûködése terhelve kapjuk. Így a végeselemes modellezés két terheléstípusra vált szét: a teljes méretû mérlegtestet középen ( A típus), illetve a félméretû testet középen terhelõ ( B típus) variációkra. 5 tonna terhelõerõnél a mért és modellezett eredményeket az 1. táblázat foglalja össze. Az eredmények ismeretében hat mérõcella alkalmazása mellett döntöttünk. 4. ábra. A mérlegcellák helyének kialakítása marással évfolyam, 4. szám 141

5 Valós terhelés, t Lehajlás, mm 5. ábra. A végleges, szerelt mérleglap terheléspróbája a kétféle mérési elrendezéssel 2. táblázat. Szerelt mérleglap terhelés-lehajlás értékei és a mérleggel meghatározott terhelések A típus Cellákkal mért terhelés, t Lehajlás, mm B típus Cellákkal mért terhelés, t 0 0,00 0,00 0,00 0,00 1 2,20 0,99 1,47 0,99 2 3,30 1,97 2,29 1,98 3 3,90 2,94 3,05 2,98 4 4,20 3,93 3,78 3,98 5 4,60 4,92 4,45 4,97 6 5,00 5,92 5,11 5,97 7 5,40 6,90 5,78 6,96 8 5,86 7,89 6,37 7,96 9 6,30 8,87 7,00 8, ,70 9,86 7,60 9,96 8. Összefoglalás Egy, a piacon még nem kapható újszerû terméket állítottunk elõ. Sikeresen továbbfejlesztettük a vákuuminjektálás egyik változatát, ugyanis ilyen vastagságban és ekkora felületen a hagyományos injektálás nem hatékony. Próbatesteken meghatároztuk a modellezéshez szükséges anyagjellemzõket. A modellezés alapján megfelelõ rétegfelépítésû, vastagságú és száltartalmú készterméket gyártottunk. A mérlegtestre erõmérõ cellákat szereltünk valós üzemi körülmények között teszteltük (6. ábra). A mérleg pontosságát egy független vizsgáló laboratórium kalibrációs vizsgálati jegyzõkönyve is alátámasztja [5]. Munkánkat a GVOP /3.0 számú pályázat támogatta. Ezúton köszönjük meg a KALIBER MÛSZER ÉS MÉRÉSTECHNIKA KFT., az ENERGOTEST DIAGNOSZTIKAI ÉS AUTOMATIZÁLÁSI KFT. és a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉK dolgozóinak segítségét. 6. ábra. Terhelésteszt üzemi körülmények között mellett a vizsgálati eredmények alapján biztosítja a kellõ merevséget. Irodalomjegyzék [1] Department of Homeland Security Daily Open Source Infrastructure Report for 12 September 2007, [2] Kollár, P.; Springer, G., S.: Mechanics of Composite Structures, Cambridge University Press, Cambridge, [3] Simon, Z.: Laminált polimer kompozit lapok feszültség deformációs mechanizmusának elemzése különös tekintettel a méret- és szerkezethatásokra, PhD dolgozat, BME Polimertechnika Tanszék, Budapest, [4] Rácz, Zs.: Egy irányban erõsített kompozit rudak hajlító karakterisztikájának és tönkremeneteli folyamatának elemzése, PhD dolgozat, BME Polimertechnika Tanszék, Budapest, [5] Összefoglaló szakmai beszámoló, GVOP /3.0, Kompozit mérleg évfolyam, 4. szám