CC BY
15ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕХАНИЗМОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
Х. И. Нурметов Н. К. Турсунов С. Н. Кенжаев У. Т. Рахимов
Ташкентский государственный транспортный университет
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрены методы создания композиционных функциональных материалов для агрегатов автомобилей различного типа. Также приведены физико-механические характеристики этих материалов, построены графические зависимости некоторых показателей от содержания выбранных материалов. Обоснованы положительные эффекты от применения полученных материалов.
Ключевые слова: термоэластопласт, термопласт, полиэфируретан, демпфирующие элементы, легирование термоэластопластов, модификатор, триботехнические и прочностные характеристики.
PERSPECTIVE MATERIALS FOR THE MECHANISMS OF AUTOMOTIVE
ASSEMBLIES
Kh. I. Nurmetov N. K. Tursunov S. N. Kenjaev U. T. Rakhimov
Tashkent State Transport University
ABSTRACT
This article is devoted to the considering of methods of creating composite functional materials for automotive units of various types. The physical and mechanical characteristics of these materials are also given, graphic dependencies of some indicators on the content of selected materials are built. The positive effects from the use of the obtained materials are justified.
Keywords: thermoelastoplast, thermoplastic, polyether rurethane, damping elements, alloying of thermoelastoplasts, modifier, tribotechnical and strength characteristics.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важнейших узлов, определяющих эксплуатационные характеристики амортизирующих устройств, являются элементы конструкций, воспринимающие ударные механические воздействия в процессе контактирования колес транспортных средств с неровностями дорожного покрытия и предотвращающие их прямую передачу на подвеску. Демпфирующие
элементы конструкций автомобильных амортизаторов представляют собой или рабочие камеры с амортизирующей средой (жидкостью и газом), или специальные изделия из материалов с определенным сочетанием деформационно-прочностных характеристик. Демпфирующие материалы должны обеспечивать изделию заданные геометрические размеры и обладать способностью рассеивать механическую энергию в упругие колебания [1-3]. Существуют различные подходы к выбору демпфирующих материалов для изготовления деталей амортизирующих конструкций, основанные на управлении упругими характеристиками путем изменения степени структурирования (сшивки) эластомеров, синтеза новых полимерных материалов - термоэластопластов с заданным соотношением термопластичной и эластомерной составляющих, обработки полимерных композитов различными видами ионизирующих излучений [4-6]. В ряде случаев материалы на основе вулканизированных каучуков (резин), термоэластопластов и радиационно сшитых термопластов обеспечивают эффективную эксплуатацию амортизирующих устройств. Однако совершенствование конструкций и непрерывный поиск оптимального сочетания «функциональность-стоимость» требует разработки новых решений на базе достижений полимерного материаловедения.
МЕТОДОЛОГИЯ
Общим методологическим подходом к разработке состава и технологии новых материалов является учет совокупного действия многочисленных эксплуатационных факторов, основанный на системном анализе особенностей конструирования, материаловедения, технологии изготовления и эксплуатации.
Одним из наиболее эффективных материалов с регулируемыми деформационно-прочностными характеристиками являются термоэластопласты типа термопластичных полиуретанов (ТПУ), микроячеистых полиэфируретанов (ПЭУ), сополимеров этилена и винилацетата (СЭВА) [5-6]. Однако метод синтеза новых марок ТПУ и ПЭУ с изменяемым соотношением жесткой и эластичной фазы не всегда возможен в заводских условиях и сопряжен со значительными трудностями, обусловленными необходимостью организовать специфическое производство композиционных материалов, требующие высокой квалификации обслуживающего персонала и применения дорогостоящих методов охраны окружающей среды. Более экономически выгодными являются методы модифицирования полимерных промышленно выпускаемых матриц функциональными добавками. Полиуретановые и полиэфируретановые термоэластопласты обладают способностью образовывать т.н. «механически совместимые смеси» с различными высокомолекулярными компонентами -термоэластопластами класса полиолефинов, полиамидов, стирольных пластиков и
др. [7-8]. Вместе с тем, композиты, применяемые для изготовления демпфирующих изделий, должны обладать максимально возможной совместимостью компонентов, препятствующей образованию дефектов на границе раздела фаз под действием многократных знакопеременных нагрузок. Нами были использованы различные технологические приемы для повышения термодинамической совместимости ингредиентов демпфирующих композитов.
Легирование термоэластопластов термопластами позволяет существенно изменять их деформационно-прочностные характеристики (таблица 1). При этом модифицирующий эффект проявляется при использовании различных термопластов, что свидетельствует об общности физико-химических процессов легирования, протекающих в зоне материального цилиндра при термомеханическом совмещении расплавов базового связующего и модификатора.
Таблица 1.
Физико-механические характеристики полиуретанового термоэластопласта
Десмопан, модифицированного термопластами
Показатели для композиций с различными
Характеристики модификато рами
ТПУ ТПУ+5% ТПУ+10% ТПУ+10% ТПУ+10%
сфд УПС АБС ПВХ
1. Плотность, кг/м 1300 1250 1280 1310 1295
2. Твердость по Шору 80 85 92 88 86
А, усл.ед
3. Разрушающее 42 90 48 47 51
напряжение при
растяжении, МПа
4. Относительное 700 580 250 400 280
удлинение, %
5. Истираемость, 22 18,3 35,6 25 19,1
м3/ТДж
Содержание модифицирующей добавки указано в масс.%
Легирующее действие термопластичной добавки реализуется и в других видах термоэластопластов, например, в ПЭУ и СЭВА (таблица 2).
Таблица 2.
Физико-механические характеристики композиционных материалов «ПЭУ-
термопласт»
Показатели для композиций с различными
Характеристики модификаторами
ПЭУ ПЭУ+10 ПЭУ+10 ПЭУ+10 ПЭУ+10%
% ПВХ % АБС % УПС СФД
1. Плотность, кг/м 1200 1200 1150 1190 1270
2. Твердость по 70 86 88 92 85
Шору, усл.ед
3. Разрушающее 15,6 15,8 15,6 10,4 14,3
напряжение при
растяжении, МПа
4. Относительное 650 250 380 200 530
удлинение, %
5. Истираемость, 23,1 19,8 29,3 35,6 20,1
м3/ТДж
Содержание легирующего термопласта в масс.%.
Предварительные эксперименты по выбору компонентов позволили определить в качестве базовых связующих термопластичный полиуретан типа Витур (или его аналоги Desmoran, Elastoyran) и регенерированный полиэфируретан ТПУ. Модифицирующими компонентами служили дисперсные фрагменты структурированного эластомера, являющиеся отходами производства резинотехнических изделий из резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков марок СКН-26М, СКН-26, СКН-40 или хлоропренового каучука наирит Кр-5, а также порошки термопластичных материалов АБС, УПС, СФД, ПВХ. Дисперсность порошков не превышала 400 мкм при максимальном содержании фракции с размерами 100-150 мкм. Компоненты перемешивали в шаровых мельницах и перерабатывали на термопластавтоматах со шнековым пластификатором.
Термопластичные модификаторы оказывают комплексное влияние на свойства термоэластопласта вследствие изменения структуры на молекулярном, межмолекулярном и межфазовом уровнях. Важнейшими показателями для демпфирующих материалов являются стойкость к знакопеременным нагрузкам, относительное удлинение и остаточная деформация. Относительное удлинение композиционного материала в известной мере является характеристикой совместимости компонентов и упрочняющего действия полимерного термопластичного модификатора на матрицу термоэластопласта. Исследования
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 2 I ISSUE 2 I 2021
ISSN: 2181-1601
показывают, что матрицы ПЭУ и ТПУ при введении термопластов (СФД, ПВХ) существенно уменьшают эластичность, что свидетельствует о комплексном влиянии модификатора (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость показателя относительного удлинения от содержания в термоэластопласте ТПУ (1), ПЭУ (2, 3) сополимера СФД (1, 2) и ПВХ (3)
Вероятной причиной уменьшения показателя относительного удлинения при модифицировании является образование механических препятствий развитию процессов высокоэластического деформирования локализованными агрегатами термопласта, а также образование сополимерных продуктов по типу «механохимических полимеров», образование которых отмечено в ряде работ [8, 9]. Необходимо отметить, что в области малых концентраций модификатора (до 10 мас.%) относительное удлинение композита незначительно, что, вероятно, свидетельствует в пользу образования продуктов механохимического синтеза, мало изменяющих подвижность макромолекул базового термоэластопласта. Наличие в эластичной матрице термопластичных агрегатов изменяет устойчивость системы к воздействию знакопеременных деформаций. Исходные термоэластопласты (ТПУ, ПЭУ) обладают весьма высоким показателем стойкости к многократному деформированию. При введении в них термопластичного компонента число циклов до разрушения уменьшается, что, вероятно, обусловлено увеличением энергии деформирования композита и повышением температуры в зоне деформирования (рис. 2).
n, «10
3
40
2
20
60
80
1
1 C, мас.%
3
20
40
60 80
* отмечено разрушение образца Рис. 2. Зависимость стойкости к многократным деформациям ТПУ (1) и ПЭУ
(2, 3) от содержания СФД (1, 2) и СЭ (3)
При применении в качестве модификатора дисперсных частиц структурированного эластомера (СЭ) падение показателя устойчивости к воздействию знакопеременных нагрузок проявляется в меньшей мере. Это обусловлено близким строением макромолекул полиуретана и каучуков, используемых для получения резин общего назначения. Однако при содержании модификатора более 30-40% возникают существенные технологические трудности по совмещению компонентов без применения специальных смесителей. Это приводит к получению композитов с высокой дефектностью, обладающих низкими служебными характеристиками.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, наличие ингибитора коррозии в составе любого компонента трибосистемы типа «автомобильный амортизатор» благоприятно сказывается на увеличении его эксплуатационного ресурса. Дополнительный эффект достигается при использовании в качестве компонента термодинамически совмещенной смеси пластифицированного ПВХ, содержащего до 40-60 мас% пластификатора. Пластифицированный ПВХ приобретает характеристики термоэластопласта, что обеспечивает более высокую его совместимость с полиэфируретановым термоэластопластом. В состав жидкой фазы пластификатора возможно введение ингибиторов коррозии, которые повысят стойкость композиции к воздействию термоокислительных сред, т.к. содержат функциональные группы, способные связывать образующийся при термодеструкции HCl.
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 2 I ISSUE 2 I 2021
ISSN: 2181-1601
Разработанные составы композиционных покрытий были рекомендованы в качестве триботехнических и антикоррозионных для нанесения на рабочие элементы шлицевых соединений карданных валов, корпусов и пружин тормозных камер, корпусов амортизаторов грузовых автомобилей, эксплуатируемых в дорожном строительстве.
REFERENCES
1. Renner, T.E. Accurate Tire Models for Vehicle Handling Using the Empirical Dynamics Method / T.E. Renner, A.J. Barber. // International ADAMS User Conference, Orlando, Florida, June 19-21, 2000. - Orlando, 2000. - рр. 35-38.
2. A nonlinear viscoelastic bushing element in multibody dynamics. / R. Ledesma [et al.]. // Computational Mechanics. - 1996. - Vol. 17. - pp. 287-296.
3. Кузьмар, И.И. Формирование серебряных покрытий с упрочняющей фазой из ультрадисперсных алмазов: автореф. ... дисс. канд. техн. наук: 05.27.06. / И.И. Кузьмар - Минск. - 2003. - 24 с.
4. Мэнсон, Дж. Полимерные смеси и композиты / Дж. Мэнсон, Л. Сперлинг. Под ред. Ю.К. Годовского - М.: Химия, 1979. - 440 с.
5. Новикова, Ю.А. Термоэластопласты. / Ю.А. Новикова // Химическая промышленность за рубежом. - М.: НИИТЭХИМ. - 1976. - № 9. - С. 1-22.
6. Термоэластопласты /Под ред. В.В. Моисеева. - М.: Химия. - 1985. -184 с.
7. Мануленко, А.Ф. Создание абразивостойких триботехнических материалов на основе бинарных смесей «термопласт-термоэластопласт»: дисс. ... канд. техн. наук: 05.02.01. / А.Ф. Мануленко. - Гомель. - 1987. - 154 с.
8. Seefried, C.G. Thermoplastic Urethane Elastomers V. Compatible and Incompatible Blends with Various Polymers. / C.G. Seefried, I.V. Koleske, F.E. Critchfield // Polymer Engineering and Science. - 1976. - vol. 16, № 11. - pp. 771-776.
9. Струк, В.А. Трибохимическая концепция создания антифрикционных материалов на основе многотоннажно выпускаемых полимерных материалов: дисс. ... докт. техн. наук: 05.02.01. / В.А. Струк - Минск. - 1988. - 323 с.
