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飞机群组:转速最高球轴承中也有碳纤维,盘点碳纤维的花式应用

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轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体,降低其运动过程中的摩擦系数,并保证其回转精度。轴承的基本结构通常由内圈、外圈、滚动体、保持架、密封件和油脂组成,内圈和外圈统称为轴承套圈,是具有滚道的环形零件。


随着国家“工业4.0”战略的提出,关键设备零部件的国产替代已刻不容缓,国产品牌尤其是头部企业是为来实现轴承全面国产化的希望,国家陆续出台各项产业政策,引导轴承行业发展方向,千亿级市场规模,国产轴承成长空间大。



轴承行业制造企业将加大研发投入,引进国外先进设备,不断提高研发设计能力和制造水平,提升轴承产品的精度、性能、寿命等关键技术指标,缩小与国外先进汽车轴承制造厂商技术水平之间的差距,逐步实现高端产品的进口替代。


碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体,所形成的碳纤维增强树脂(CFRP)具有优异的综合性能,应用于很多领域。


接下来,介绍一种采用高耐热性碳纤维复合材料(350°C)保持器,可用于新能源汽车电机的高速轴承,实现dmn200万以上。


01产品研发背景


随着温室效应、尾气排放等引起的一系列环境问题日益加剧,普及更加环保的电动车成为社会的普遍期待。对于电动车普及,目前面临的一个重要课题是为提高续航里程,寻求能搭载更大电池的车辆空间。


近年来,随着电动车驱动系统的小型化、轻量化,以及驱动电机高效率化的市场需求不断加大,对驱动电机支撑用球轴承提出了更高转速的要求。球轴承在高转速旋转工况下,由于发热的影响,会发生润滑不良导致咬粘;另外,由于离心力的影响,保持架变形而发生破损也是亟待解决的课题。


02高速轴承的特点


采用最佳设计,实现了低发热性。主体采用SHX材料,提高了抗咬粘性,而且,滚子采用陶瓷材料,提高了可靠性。保持器采用碳纤维复合材料,实现了高速化。抑制超高速运转时保持架变形、实现超高速旋转下的耐久性的提高。


1.采用碳纤维增强PEEK保持器


为了抑制大直径轴承高速旋转产生的大离心力所导致的变形,汽车用轴承首次采用碳纤维强化PEEK作为保持器用材料,实现了高速稳定旋转,大幅提高了保持器的耐久性。


2.采用内圈引导


滚珠引导冠形保持器,内圈的外径部作为引导面使用,可有效抑制伴随保持器的振动引起的损伤,飞跃性的提高了超高速旋转下轴承的耐久性。


3.内部设计及提高使用寿命技术


通过优化轴承内部的槽尺寸和滚珠直径、滚珠数量、间隙等,即使在超高速旋转下,也能防止摩擦和发热引起的烧结。另外,内外圈通过使用尺寸稳定性优异的材料和热处理技术,抑制了使用时的尺寸和径向间隙的经时变化,提高了耐久性。


产品测试条件表


该高速轴承是目前全世界极限转速最高的球轴承。本产品的成功开发,为电动车驱动电机转速的大幅提升提供了可能。同时,通过提高驱动电机的效率,可实现驱动电机小型化、轻量化,为降低电动车能耗、延长续航里程、提高驾驶舒适度做出贡献。


在保持与传统碳纤维增强复合材料高强度级同等的加工性的同时,提高了机械特性和耐疲劳性。在以高流动性为特征的基础上配合碳纤维。适用于密封圈和轴承的保持器等组装工序中产生大变形的零件。


另外,碳纤维还有哪些新应用呢?


碳纤维的多领域应用


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碳纤维复合材料热塑预浸带对于风力叶片的应用


第一次工业革命后,机器生产逐渐取代了手工业,由于机器的发明与成功应用,人们把这个时代称为“机器时代”。机器时代的主要动力为蒸汽,通过燃烧煤炭加热锅炉从而产生蒸汽来提供动力。第二次工业革命后,由于石油的出现,工业燃料发生了极大的改变,由蒸汽时代转变为石油时代。如今随着石油的消耗,人们意识到如果一直依赖石油,总有一天会面临枯竭的状态。因此寻求新能源是必要的。在科技高度发达的今天,电能被我们应用在生活中的方方面面,新能源的出现为我们提供了新的能源渠道。今天碳纤维复合材料厂家挪恩复材为您解读碳纤维风力发电叶片的优势。



众所周知,碳纤维复合材料属于材料领域的王者,其优异的性能是其他材料不可比拟的。碳纤维不仅耐腐蚀、抗冲击、强度高,并且它的质量轻。即使是生活中无处不见的传统金属材料也要对它退避三舍。挪恩复材生产的碳纤维复合材料热塑预浸带用于制造风力发电叶片,可以很大程度上的对风力发电叶片进行减重,风力发电的原理是将风的动能转变为机械动能,通过机械的转动从而产生电能。这是一种清洁无污染的发电方式,得到了国内外的一致认可。相同的情况下如何产生更多的电能是风力发电研发公司关注的重点。


目前主要可以从两个方面来解决,一种是材料方面,也就是说使用更轻的材料来制作风力发电叶片。另一种从内部零件入手,比如可以使用摩擦阻力更小的轴承。碳纤维复合材料厂家挪恩复材致力于轻量化碳纤维复合材料生产与碳纤维产品定制加工。将挪恩复材热塑预浸带用于风力发电叶片的生产可以让风力发电风叶相同情况下转动的圈数更多,并且碳纤维复合材料热塑预浸带耐腐蚀,寿命长久。


2


碳纤维辊轴的优势


传送带系统在工业技术和物料搬运的发展中起着至关重要的作用。输送机最著名的用途是当亨利·福特创建现代装配线模型时,该模型通过物料和货物的移动彻底改变了效率。


这些系统旨在移动具有不同重量,形状,大小的对象,并在各种操作环境中使用。输送机系统的基本组成部分之一是辊轴(也称为输送机辊),它们是一系列在重力(无动力)和动力输送机中自由流动的圆柱形“轮子” ,它们使用机械手段移动产品或物料沿着系统。作为关键组件,在设计辊轴时要考虑多个因素,以最大程度地减少停机时间,运营成本和输送机系统的性能。


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传统上,辊轴由金属(钢或铝)或塑料制成。它们的设计将取决于确定尺寸或直径以及构造材料的应用程序。碳纤维由于其固有的轻质性和材料强度,现在成为一种有吸引力的选择。英特力碳纤维辊轴可由碳纤维管制成,其刚度可与铝或钢相媲美,具体取决于应用。碳纤维辊轴的重量仅为铝的一半,重量为钢的 1/5,可以解决与金属辊轴相关的许多问题,包括惯性和弯曲问题。碳纤维辊轴相对于金属的一些优点和好处包括:



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CFRP作为先进舰船船体结构


CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等非常明显。


瑞典在船艇制造技术方面有着传统优势,其夹层复合材料技术居世界一流水平,较早便采用CFRP技术研制军用舰船。2000年6月下水的瑞典海军维斯比号护卫舰(Stealth Visby)是世界第一艘在舰体结构中采用CFRP的海军舰艇。该舰长73.0 m、宽10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t;舰体采用CFRP夹层结构,具有高强度、高硬度、低质量、耐冲击、低雷达和磁场信号,以及吸收电磁波等优异性能。


由于成本原因,虽船舶中大量使用CFRP还有待时日,但其已实际用于制造民用新概念船艇和军用舰船关键部件。2010年,德国Kockums公司为瑞典探险家制造了一条几乎全部采用CFRP的新概念太阳能探险船——TuANor PlanetSolar。该船长31.0 m、宽15.0 m,以太阳能为动力。2010年9月27日,瑞典探险家Raphael Domjan驾驶该船出海,开始环球探险航行(图7)。


CFRP还已用于舰船推进器叶片、一体化桅杆和先进水面舰艇上层建筑的制造。


低噪声、安静运行是军用舰船领域的一项核心技术,是舰船(特别是潜艇)性能的关键指标。因为螺旋桨高速运转时,其桨叶片上会产生时灭的空泡,导致桨叶剥蚀,并伴有强烈的振动和噪声。CFRP叶片不仅更轻、更薄,还可改善空泡性能、降低振动和水下特性、减少燃油消耗。


此外,隐身也是评价军用舰船先进性水平的一项重要指标。提高隐身性能必须减小舰船体的雷达反射截面,并降低其光学特性。在过去,舰船上层建筑上都竖立着多根挂满各种鞭状和条状的天线桅杆,它们极大地阻碍了舰船在探测设备中的隐身能力。


1995年,美军开始研究一体式桅杆系统,其将各种天线设计成平面形或球形阵列,并集成于采用能反射电波的复合材料制成的一体式桅杆系统中,可防风雨和盐雾的侵害。且更进一步的是,美军下一代作战舰艇的整个上层建筑都采用复合材料制造。


2016年10月15日,美国海军举行了其首艘朱姆沃尔特级驱逐舰(Zumwalt-classdestroyer)的入列仪式。该舰是美国海军的下一代主战舰艇,其集成了当今最尖端的海军舰船技术,舰体造型、电驱动力、指挥控制、情报通信、隐身防护、侦测导航、火力配置等性能均具超越性。特别值得注意的是,该舰上层建筑及内嵌天线系统由美国雷神公司(Raytheon)负责设计制造,采用了一体化模块式复合材料结构(Integrated CompositeDeckhouse and Assembly,简称IDHA),质量轻、强度高、耐锈蚀、透波性好,具有极佳的隐身性能,被发现概率低于10%。


4


CFRP作为轨道交通车辆的车体结构


轻量化是减少列车运行能耗的一项关键技术。金属制造的轨道列车,虽车体强度高,但质量大、能耗高。以C20FICAS不锈钢地铁列车为例,其每千米能耗约为3.6×107 J(即10 kWh),运行15 万km约消耗540 000 GJ能量;如质量能减少30%,则可节能27,000×30%=8,100 GJ73。


CFRP是新一代高速轨道列车车体选材的重点,它不仅可使轨道列车车体轻量化,还可以改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性[11]。当前,CFRP在轨道车辆领域的应用趋势:从车箱内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件扩展;从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展;以金属与复合材料混杂结构为主,CFRP用量大幅提高。


下图列出了1节地铁列车中间车辆各部分的质量比例,其中车身质量约占36%、车载设备约占29%、内部装饰约占16%[10]73 。由于车载设备几乎没有减重空间,因此,车身和内部装饰就成为了轻量化的重点对象。2000年,法国国营铁路公司(SNCF)采用碳纤维复合材料研制出双层 TGV型挂车;韩国铁道科学研究院(KRRI)以此为基础,研制出运行速度为180 km/h 的TTX型摆式列车车体,其采用不锈钢增强骨架,侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯,蒙皮采用CFRP构成的三明治结构,车体外壳总质量比铝合金结构降低了40%,且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等性能良好,并于2010年投入商业化运营。


地铁列车中间车辆各部分的质量比例


2011年,韩国铁道科学研究院(KRRI)研制出CFRP地铁转向架构架,质量为 635 kg,比钢质构架的质量减少约30%。日本铁道综合技术研究所(JRTI)与东日本客运铁道公司(East Japan RailwayCompany)联合研制的CFRP高速列车车顶,使每节车箱减轻300~500 kg。2014 年9月,日本川崎重工(Kawasaki)研制的 CFRP 构架边梁,其质量比金属梁减少约40%。


5


CFRP作为电动汽车的车体结构


英国材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明,汽车质量每减轻10%,油耗可降低6%。现有材料中,CFRP的轻量化效果最好;加之,汽车设计和复合材料技术的快速发展。这些都使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。


BMW公司BMWi型车的推出引领了这一潮流。2008年,BMW公司在慕尼黑召开会议,目的是让城市交通技术发生彻底的变革,其建立了一个“i计划(Project i)”的智库,唯一的任务就是“忘掉以前所做的一切,重新思考一切”。2009年,该智库形成了一个全新的节能概念——“BMW有效动力愿景(BMW Vision EfficientDynamics)”,奠定了BMW公司后续研究的思想基础,它要求对车身和驱动系统进行专门的设计,以达到全新的节能性,而此前的想法都是将已有的节能技术集成到既有的模板中。2011年,BMW公司确立了“天生电动(Born Electric)技术”,创立了BMWi品牌,其让人们在日常驾驶出行中用上了全电动能源;同年,第一款全电动BMWi3概念车实现技术演示。2012年,兼具高能效和更优异运动跑车性能的BMWi8概念车推出,其采用CFRP、铝和钛等轻质材料,实现了突破意义的减重;同年,全新BMW i3电驱动系统(eDrive Propulsion System)推出,实现了零排放。2013年,BMW i3实现量产。2014年,BMW i8实现量产。2016年,BMW公司在美国拉斯维加斯消费电子展上推出BMW i 未来互动愿景(BMW i Vision FutureInteraction)概念车;同时推出BMWi3(94Ah)型新车,该车整车质量仅1 245kg,一次充电续航里程可达200 km,且百公里加速时间7.3 s,灵活性独特。


其中,BMW i3采用“LifeDrive”模块化车身架构设计,由乘员座舱(Life)模块和底盘驱动(Drive)模块两部分组成。乘员座舱模块又称生命模块,其构成驾乘人员的乘用空间,采用CFRP制成的生命模块,质量轻、安全性非常高,且乘用感宽敞、均称。底盘驱动模块又称eDrive驱动系统,其结构由铝合金制成,集成了电机(最大功率125 kW,最大扭矩250 N·m)、电池和燃油发动机等动力部件。


BMW公司通过与SGL汽车用碳纤维材料(SGL Automotive CarbonFibers)公司合作,历经10多年研发,开始生产自己所需的碳纤维。其BMWi3型车中生命模块的制造工艺:将碳纤维织成织物后浸润于专用树脂中,制成预浸料;将预浸料热定型成刚性车身零件;采用专门开发的技术,将车身零件全自动地黏合成完整的车身部件。所得CFRP车身具备极高的抗压强度,能承受更快的加速度,整车的敏捷性和路感都非常好。


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CFRP作为新概念货运卡车的车体结构


世界零售业巨头沃尔玛(Walmart)公司在28个国家的63个区域拥有11 500家门店。其在美国拥有1支由近6 000辆货车组成的卡车车队,它们会将产品送至遍布于美国的数千家门店。该车队为保持持续的生存能力和效率,一直以“行驶里程更少,运输量更多”为目标,依靠提高司机驾驶技术、采用先进牵引挂车、改进过程与系统筹划等措施,实现2007—2015年间车队行驶超480万km,运送集装箱数超8亿,运输效率较2005年提高84.2%。


其中,牵引挂车的性能对实现“多拉少跑”的目标关系重大,故沃尔玛公司投入巨资开展“沃尔玛先进车辆体验(The Walmart AdvancedVehicle Experience)”的新概念卡车研究计划。已研制的新概念卡车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动系统、电气化、先进控制系统,以及CFRP车体等前沿技术。主要技术创新:先进的空气动力学设计,整体造型优雅,气动性能较现行的Model 386型卡车提高20%;微型涡轮混合电力驱动系统清洁、高效、节油;司机座位设计于驾驶室中央,具有180°的视野;电子仪表盘可提供定制化的量程和性能数据 ;滑动型车门和折叠型台阶提高了安全和安保性能;空间宽敞的驾驶室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身采用CFRP制成,顶部和侧墙均采用16.2 m(53英尺)长的单块板材,其优异的力学性能可确保车体的结构强度;采用先进黏结剂黏合,最大限度地减少了铆钉数量;凸鼻形的造型设计可在充分保证载货容量的前提下,有效提高气动性能;低剖面LED灯光更节能、耐用。


目前,该计划已完成84%的任务量,但仍有许多创新性技术有待继续研发。可以预见,沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维的应用,有非常大的作用。


综上可见,碳纤维在众多领域有着广泛的应用。应用市场的不断细分还将推动碳纤维技术的差别化发展,将有更多、更好的碳纤维制品被制造出,以促进社会绿色发展、满足人们多样化的生活需求。




来源:前沿材料PLUS,碳材料科技,碳纤维复合材料,复材云集

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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