Μοντελοποίηση της μηχανικής συμπεριφοράς ινωδών ενισχύσεων σε πλαστική μήτρα και εφαρμογή στην περιοχική συνεχή ενίσχυση οδοντωτών τροχών

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται και περιγράφεται μια μέθοδος βελτίωσης της αντοχής και της ικανότητας μεταφοράς και παραλαβής φορτίων των πλαστικών οδοντωτών τροχών μετωπικής οδοντώσεως. Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει την ενίσχυση των τροχών με συνεχώς προεντεταμένες ίνες άνθρακα, οι οποίες τοποθετούνται εφαπτομενικά στην επικίνδυνη διατομή ποδός, η οποία έχει ευρεθεί πρωθύστερα με ανάλυση, μέσω πεπερασμένων στοιχείων, των μοντέλων οδοντωτών τροχών χωρίς την προσθήκη του οπλισμού. Για την εύρεση των μηχανικών ιδιοτήτων του ομογενούς ανισότροπου υλικού πραγματοποιείται ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων σε προσομοιώσεις εφελκυσμού και διάτμησης. Στη συνέχεια μια σειρά από μοντέλα ενισχυμένων οδοντωτών τροχών μελετήθηκε για φορτίο ασκούμενο στο Υψηλότερο Σημείο Μονής Επαφής (HPSTC). Τέλος παρατίθενται σε κατάλληλα διαγράμματα τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα της αδιαστατοποιημένης μέγιστης εφελκυστικής και θλιπτικής τάσης, στα οποία αναπαρίστανται η πτώση τάσης περίπου κατά 60% στην πλαστική μήτρα του οδόντος και ταυτόχρονα η αύξηση της σχετικής αντοχής του οδόντος 10 με 15 φορές, δηλαδή επίπεδα αντοχής παρόμοια με αυτά ενός χαλύβδινου οδοντωτού τροχού.

In this thesis, a method of improving the mechanical properties and the loading capacity of typical plastic spur gears through the application of pretensioned carbon-fibre reinforcement is developed. In order to achieve this, the plastic gears are reinforced with long carbon fibres placed tangent to the critical cross-section at the root of the teeth, where the stress maximum is observed. In order to model the mechanical properties of the resulting anisotropic heterogeneous reinforced plastic, a homogenised 3-D anisotropic equivalent is calculated through FEA analysis of Representative Volume Elements (RVEs) under axial and shear loading conditions. A series of 5-teeth CF-reinforced gear models are subsequently studied under various loadings at the HPSTC using the contact ratio as a non-dimensionalising variable in comparison to their unreinforced counterparts. The results indicate a considerable decrease in root bending stresses both at the tension and the compression side of the tooth (10 to 15 times) as well as a significant decrease in compliance (40% of the original). Therefore the composite gear teeth are able to withstand loading similar to that of typical steel gears.