ES2928254T3

ES2928254T3 - Resorte en espiral compuesto con capas de fibra de carbono y fibra de vidrio

Info

Publication number: ES2928254T3
Application number: ES19936076T
Authority: ES
Inventors: Jun Yoshioka
Original assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: CN113646556B; CA3130661C; PL3899313T3; HUE060373T2; US12590616B2; US20220170525A1; TWI752527B; JP7092947B2; MX2021011700A; EP3899313A1; EP3899313B1; TW202102611A; WO2021002837A1; CA3130661A1; CN113646556A; JP2022517756A; EP3899313A4

Abstract

Un resorte helicoidal compuesto incluye un cuerpo helicoidal que se extiende a lo largo de un eje helicoidal. El cuerpo de bobina incluye una matriz de polímero y, dispuesto en la matriz de polímero, un núcleo de fibra de carbono y una pluralidad de capas de fibra envueltas alrededor del núcleo de fibra de carbono en ángulos de fibra oblicuos alternos con respecto al eje enrollado. Las capas de fibra incluyen, de adentro hacia afuera a partir del núcleo de fibra de carbono, al menos dos capas intermedias de fibra de carbono consecutivas de ángulos de fibra oblicuos alternos al eje enrollado, seguidas inmediatamente por al menos dos capas intermedias de fibra de vidrio consecutivas de ángulos de fibra oblicuos alternos. ángulos de fibra con el eje enrollado, e inmediatamente seguido por una capa de fibra más externa de fibra de carbono. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Resorte en espiral compuesto con capas de fibra de carbono y fibra de vidrio

ANTECEDENTES

[0001] Los resortes en espiral son conocidos y utilizados en una variedad de aplicaciones diferentes, como los sistemas de suspensión de vehículos. Un resorte en espiral típico está fabricado en acero para proporcionar las propiedades mecánicas, la durabilidad y el tamaño de la pieza requeridos para dichas aplicaciones. Los resortes en espiral compuestos pueden ser más ligeros que los resortes en espiral de acero. Sin embargo, los resortes en espiral compuestos tienen dificultades para igualar la combinación de propiedades mecánicas, durabilidad y tamaño de los resortes en espiral de acero, y a un coste aceptable. El documento US2015204404A1 da a conocer resortes en espiral compuestos que incluyen un cuerpo en espiral que se extiende a lo largo de un eje en espiral. El cuerpo en espiral incluye un núcleo y una pluralidad de capas de fibra impregnadas con un material polimérico. La pluralidad de capas de fibra están dispuestas alrededor del núcleo a diferentes distancias radiales del eje en espiral.

SUMARIO

[0002] Un resorte en espiral compuesto de conformidad con un ejemplo de la presente exposición incluye un cuerpo en espiral que se extiende a lo largo de un eje en espiral. El cuerpo en espiral presenta una matriz polimérica y, dispuesto en la matriz polimérica, un núcleo de fibra de carbono y una pluralidad de capas de fibra enrolladas alrededor del núcleo de fibra de carbono en ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral. La pluralidad de capas de fibra presenta, de dentro a fuera empezando por el núcleo de fibra de carbono, al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral, seguidas inmediatamente por al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de vidrio de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral, y seguida inmediatamente por una capa de fibra exterior de fibra de carbono. La invención se define por la reivindicación 1.

[0003] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la matriz polimérica incluye un polímero y nanopartículas de sílice dispersas en el polímero.

[0004] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la matriz polimérica incluye, en peso, del 10 % al 25 % de las nanopartículas de sílice.

[0005] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la matriz polimérica incluye, en peso, del 15 % al 20 % de las nanopartículas de sílice.

[0006] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa, y el espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

[0007] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa, y el espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

[0008] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa. El espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

[0009] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono definen módulos de tracción respectivos, y el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

[0010] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono por un factor de al menos 1,25.

[0011] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la matriz polimérica incluye un polímero y nanopartículas de sílice dispersas en el polímero.

[0012] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la matriz polimérica incluye, en peso, del 10 % al 25 % de las nanopartículas de sílice.

[0013] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, las al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono incluyen al menos tres capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral.

[0014] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la pluralidad de capas de fibra consiste en cinco de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

[0015] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, la pluralidad de capas de fibra consiste en tres de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

[0016] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa. El espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

[0017] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, las fibras del núcleo de fibra de carbono y la pluralidad de capas de fibra comprenden, en volumen, del 38 % al 58 % del cuerpo en espiral.

[0018] En un modo de realización adicional de cualquiera de los modos de realización anteriores, las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono definen módulos de tracción respectivos, y el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es menor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0019] Las diversas características y ventajas de la presente exposición resultarán evidentes para los expertos en la materia a partir de la siguiente descripción detallada. Los dibujos que acompañan a la descripción detallada pueden describirse brevemente como sigue.

La figura 1 ilustra un ejemplo de resorte en espiral.

La figura 2 ilustra una vista en sección a través de una porción del resorte en espiral de la figura 1.

La figura 3 ilustra una vista en sección representativa de un compuesto de matriz polimérica reforzado con fibras. La figura 4 ilustra las orientaciones alternas de las fibras.

La figura 5 ilustra una vista en sección de otro ejemplo representativo de un compuesto de matriz polimérica reforzado con fibras.

Las figuras 6A, 6B y 6C ilustran varias vistas de un proceso de bobinado para fabricar un resorte en espiral.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0020] La figura 1 muestra un ejemplo de resorte en espiral compuesto 20 que puede utilizarse en un sistema de suspensión de un vehículo, por ejemplo. Sin embargo, debe entenderse que el resorte en espiral compuesto 20 no está limitado a tales usos. El resorte en espiral compuesto 20 puede ser helicoidal o, de forma alternativa, tener una forma diferente. En la presente exposición, una «espiral» o variaciones de la misma significa un cuerpo que se curva de forma continua alrededor de un eje lineal fijo, tal como el eje A en la Figura 1. Como se apreciará, el resorte en espiral compuesto 20 es fuerte, duradero, ligero y relativamente barato de fabricar.

[0021] El resorte en espiral compuesto 20 incluye un cuerpo en espiral 22 que se extiende a lo largo de un eje en espiral 24 entre los extremos terminales 26/28. Aunque no se muestra a escala, el resorte en espiral 20 puede presentar un tamaño y una geometría adaptados para su uso en sistemas de suspensión de vehículos. A modo de ejemplo, el resorte en espiral 20 puede presentar generalmente una longitud axial de 100 milímetros (mm) a 1000 mm, un diámetro de 30 mm a 350 mm, de 3 a 25 vueltas de espiral, y una constante de resorte de 1 Newton por milímetro (N/mm) a 500 N/mm.

[0022] La figura 2 ilustra una vista en sección representativa del cuerpo en espiral 22 perpendicular al eje en espiral 24. El cuerpo en espiral 22 incluye un núcleo de fibra de carbono 30 y una pluralidad de capas de fibra 32 que se enrollan alrededor del núcleo de fibra de carbono 30. El núcleo de fibra de carbono 30 y las capas de fibra 32 están formados por un compuesto de matriz polimérica reforzado con fibras. Un ejemplo representativo de dicho compuesto se muestra en la Figura 3 e incluye una matriz polimérica 34 y fibras 36 dispuestas en la matriz polimérica 34. Aunque no se muestra, cada fibra 36 está formada por un conjunto de filamentos, conocido como haz. Un solo haz de fibra puede incluir varios miles de filamentos. A modo de ejemplo, el resorte en espiral 20 incluye, en volumen, del 38 % al 58 % de fibras 36, siendo el resto la matriz polimérica 34.

[0023] Como indica la nomenclatura, las fibras del núcleo de fibra de carbono 30 son fibras de carbono. Como se describirá con más detalle a continuación, las fibras de las capas de fibra 32 son fibras de vidrio o fibras de carbono. Las fibras del núcleo 30 y de las capas 32 están, por tanto, integradas, es decir, dispuestas en la matriz polimérica 34. A modo de ejemplo, la matriz polimérica 34 está formada por un polímero termoestable, como el epoxi. Un ejemplo de epoxi disponible de HEXION es la resina Epon 862, diglicidil éter de bisfenol F con un peso equivalente por epóxido de 165-173 y una densidad de 1,17 gramos por centímetro cúbico (g/cmA3), con un agente de curado W, amina aromática no MDA que presenta un peso equivalente por epóxido de 42-48 y una densidad de 1,02 g/cmA3. Una vez curado, este epoxi presenta un módulo elástico de 2,8 gigapascales (GPa) y una densidad de 1,15 g/cmA3.

[0024] Como se muestra en la vista representativa de la figura 4, las fibras 36 de las capas de fibra 32 se enrollan alrededor del núcleo de fibra de carbono 30 en ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral A. Por ejemplo, los ángulos de fibra alternan entre 45° y -45°. Aunque se prefiere 45°/-45°, los ángulos de fibra pueden ser alternativamente /- 20-58°.

[0025] Haciendo referencia de nuevo a la figura 2, las capas de fibra 32 incluyen, de dentro a fuera empezando por el núcleo de fibra de carbono 30, al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono 32a de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral A, seguidas inmediatamente por al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de vidrio 32b de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral A, y seguidas inmediatamente por una capa de fibra exterior de fibra de carbono 32c. Por ejemplo, las al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono 32a incluyen al menos tres capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono. En el ejemplo ilustrado, hay cinco capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono 32a y tres capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de vidrio 32b. Tal como se utiliza en el presente documento, una «capa» presenta un grosor radial uniforme alrededor de toda la circunferencia de la capa y todas las fibras de una capa están orientadas en el mismo ángulo de fibra.

[0026] Los tipos de fibras 36 del núcleo 30 y de las capas 32 y las ubicaciones relativas de las capas cumplen funciones concretas en el resorte en espiral 20. Por ejemplo, el núcleo 30 y las capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono 32a generalmente reducen el peso en comparación con las espirales metálicas y proporcionan rigidez de flexión para reducir el «arqueo» del resorte en espiral. A este respecto, se utilizan fibras de carbono de módulo de tracción intermedio en el núcleo 30 y en las capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono 32a. Las capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de vidrio 32b sirven para aumentar el diámetro de barra para obtener las propiedades de resorte deseadas. Estas capas 32b también están sometidas a tensiones transversales relativamente altas. En este sentido, se utilizan fibras de vidrio en las capas 32b. La capa de fibra exterior 32c sirve para la rigidez torsional. A este respecto, en la capa 32c se utilizan fibras de carbono de módulo de tracción intermedio o alto. El resorte en espiral compuesto hecho con la combinación de fibras de carbono y fibras de vidrio descrita es relativamente menos costoso que un resorte en espiral compuesto solo de fibras de carbono.

[0027] Un ejemplo de fibras de vidrio está disponible en Owens Corning bajo la denominación Advantex glass 2400 TEX (4 000 filamentos por haz), que tiene un módulo de tracción de 82 GPa, una densidad de 2,66 g/cmA3 y un diámetro nominal de fibra de 17 micrómetros. Un ejemplo de fibras de carbono de módulo de tracción intermedio está disponible en Mitsubishi Chemical Carbon Fiber and Composites con la denominación TRH50, que tiene 18000 filamentos por haz, un módulo de tracción de 255 GPa, una densidad de 1,82 g/cmA3 y un diámetro nominal de fibra de 6 micrómetros. Un ejemplo de fibras de carbono de alto módulo de tracción está disponible en Mitsubishi Chemical Carbon Fiber and Composites con la denominación MS40, que tiene 12000 filamentos por haz, un módulo de tracción de 340 GPa, una densidad de 1,77 g/cmA3 y un diámetro nominal de fibra de 6 micrómetros. En la Tabla 1 a continuación se muestran otras propiedades de estas fibras de carbono. Como se apreciará, las propiedades de las fibras de carbono pueden variar según el grado y el proveedor.

[0028] En general, las fibras de carbono están disponibles en cuatro denominaciones según el módulo de tracción, incluyendo módulo estándar, intermedio, alto y ultra alto. La fibra de carbono de módulo estándar tiene una clasificación de aproximadamente 33 millones de libras por pulgada cuadrada (Msi), que corresponde a 228 GPa, y la fibra de carbono de módulo intermedio tiene una clasificación de más de 33 Msi hasta 42 Msi (228 a 290 GPa). La fibra de carbono de módulo alto tiene una clasificación de al menos 42 Msi, correspondiente a 290 GPa, y la fibra de carbono de módulo ultra alto tiene una clasificación a partir de 65 Msi hasta aproximadamente 135 Msi, correspondiente a aproximadamente 448 a 930 GPa. En general, el módulo se debe a la manera en que se fabrican las fibras de carbono. La mayoría de las fibras de carbono se fabrican a partir de material de partida que contiene carbono y que se alinea en una larga cadena de plástico que luego se piroliza de manera que las impurezas se queman dejando solo átomos de carbono. Las modificaciones en el proceso de pirólisis producen hilos de mayor pureza con un módulo más elevado. Las fibras de carbono de módulo alto y ultra alto, también conocidas como fibra de brea, parten de una materia prima diferente a la de las fibras de carbono de módulo estándar o intermedio y utilizan un proceso de fabricación diferente. En general, a medida que aumenta la pureza de la fibra de carbono, aumenta el coste, aumenta el módulo, se reduce el alargamiento de rotura de fibra y disminuye la resistencia.

[0029] En un ejemplo adicional del resorte en espiral 20, todas las fibras de carbono, incluidas las del núcleo 30, las capas 32b y la capa de fibra exterior 32c, son fibras de carbono de módulo de tracción intermedio. A continuación, en la tabla 2 se muestra otro ejemplo.

Tabla 2

[0030] En un ejemplo modificado, las fibras de carbono del núcleo 30 y de las capas 32b son fibras de carbono de módulo de tracción intermedio, y las fibras de carbono de la capa de fibra exterior 32c son fibras de carbono de módulo de tracción alto, por lo que el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior 32c es mayor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas 32b. A continuación, en la tabla 3 se muestra otro ejemplo. En un ejemplo adicional, el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior 32c es mayor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas 32b por un factor de al menos 1,25 hasta un factor de aproximadamente 1,9, sujeto a los rangos de módulo de tracción para las fibras de carbono de módulo de tracción intermedio y alto descritos anteriormente. En un ejemplo alternativo, el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior 32c es menor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas 32b por un factor de 1,05 hasta un factor de aproximadamente 1,25, sujeto a los rangos de módulo de tracción para las fibras de carbono de módulo de tracción intermedio y alto descritos anteriormente.

Tabla 3

[0031] Como se ha demostrado en los ejemplos anteriores, cada capa 32 (por ejemplo, referida en las tablas como "capa 1", "capa 2", etcétera) define un espesor de capa. En cualquiera de los ejemplos anteriores del presente documento, el espesor de la capa de fibra externa 32c puede ser mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra 32a (por ejemplo, las capas 1-5 de las tablas) y el espesor de capa de la capa de fibra exterior 32c puede ser mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra 32b (por ejemplo, las capas 6-8 de las tablas).

[0032] Haciendo referencia a la Figura 5, el compuesto de polímero reforzado con fibras en otros ejemplos de cualquiera de los ejemplos anteriores puede incluir una matriz polimérica 134. En la presente exposición, los números de referencia similares designan elementos similares cuando procede y los números de referencia con la adición de cien o múltiplos de este designan elementos modificados que se entiende que incorporan las mismas características y beneficios de los elementos correspondientes. En este caso, la matriz polimérica 134 incluye un polímero 134a (por ejemplo, epoxi como se ha comentado anteriormente) y nanopartículas de sílice 134b dispersas en el polímero 134a. Por ejemplo, la matriz polimérica 134 incluye, en peso, del 10 % al 25 % de las nanopartículas de sílice 134b, o más preferiblemente del 15 % al 20 % de las nanopartículas de sílice 134b. Las «nanopartículas» pueden referirse a partículas que presentan un tamaño medio máximo no superior a 100 nanómetros. Sin embargo, lo más típico es que el tamaño de las nanopartículas de sílice sea de 5 nanómetros a 50 nanómetros, como por ejemplo aproximadamente 20 nanómetros.

[0033] Un ejemplo de nanopartículas de sílice está disponible en Evonik bajo la denominación NANOPOX F400, que es un concentrado de resina epoxi con sílice coloidal que puede mezclarse con otra resina epoxi para obtener la cantidad deseada de nanopartículas de sílice en la matriz polimérica final 134. El F400 utiliza una resina base DGEBA y tiene un peso equivalente de epoxi de 295, una densidad de 1,4 g/cmA3, y un 40 % en peso de las nanopartículas de sílice.

[0034] Las nanopartículas de sílice 134b sirven para aumentar el módulo de tracción de la matriz polimérica 134. A modo de ejemplo, el módulo puede incrementarse en aproximadamente un 200 %. Este aumento del módulo de la matriz polimérica 134 provoca un aumento del módulo de las láminas de material compuesto en la dirección transversal a las fibras 36, lo que da lugar a un aumento de la constante de resorte del resorte en espiral 20.

[0035] A continuación en la Tabla 4 se muestran ejemplos de propiedades y su comparación con un resorte en espiral de acero control. En la Tabla 4, el diseño A es un resorte en espiral de acero, el diseño D es un resorte en espiral según la Tabla 2 anterior, y los diseños E y F son resortes en espiral según la Tabla 3 anterior. La matriz polimérica del diseño E no contiene nanopartículas de sílice y la matriz polimérica del diseño F incluye aproximadamente un 17 % en peso de las nanopartículas de sílice. Estos diseños se analizaron de conformidad con un criterio de diseño fijo utilizando el software de análisis de elementos finitos (ANSYS - versión 19.2, Static Structural and Composites PrepPost). El proceso de diseño de resortes en espiral compuestos que integra el AEF muestra una buena correlación con los resortes en espiral compuestos actuales. Las propiedades mecánicas de las láminas de material compuesto se calcularon utilizando la conocida regla de las mezclas basada en la fracción volumétrica de la fibra y las propiedades mecánicas de la fibra y la resina epoxi, y las propiedades mecánicas calculadas de las láminas se utilizaron como entrada para el AEF para materiales compuestos. Los volúmenes de fibra de los diseños D, E y F están todos entre el 50 % y el 51 %. Para facilitar la comparación, los resortes en espiral compuestos se diseñaron con el mismo número de vueltas totales (5,5 vueltas).

[0036] Como es evidente en la Tabla 4, la constante de resorte del diseño F es mayor que la del diseño E debido a las nanopartículas de sílice. Además, cada uno de los diseños D, E y F reduce sustancialmente el peso en comparación con el diseño A, que es de acero. Cada uno de los diseños D, E y F son también similares en tamaño al resorte en espiral de acero del diseño A, que está representado en la tabla 4 por los diámetros interiores y el diámetro de barra. El análisis demuestra que la configuración particular del núcleo de fibra de carbono 30, las capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono 32a, las capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de vidrio 32b, y la capa de fibra exterior de fibra de carbono 32c son viables como sustitución de los resortes en espiral de acero en cuanto a tamaño y rendimiento, a la vez que reducen sustancialmente el peso en aproximadamente dos tercios. Además, el resorte en espiral 20 también ha demostrado un sorprendente rendimiento de resistencia a la fatiga. Los resultados iniciales indican que un resorte en espiral de conformidad con la tabla 2 con la adición de un 17 % de nanosílice puede soportar con éxito más de un millón de ciclos de fatiga en comparación con los resortes de acero, que suelen fallar en la misma prueba entre los 300000 y los 500000 ciclos.

Tabla 4

[0037] Las figuras 6A, 6B y 6C ilustran un proceso de ejemplo para fabricar el resorte en espiral 20 descrito en el presente documento. Cada una de estas figuras ilustra el resorte en espiral 20 durante el proceso de fabricación. El proceso es generalmente un proceso de bobinado de fibra que utiliza un equipo que está adaptado para realizar dicho bobinado. El equipo puede incluir un huso de cabezal y un huso de contrapunto que giran sincrónicamente a la misma velocidad, así como un carro que se mueve en paralelo a la línea central de los husos. El huso del cabezal y el huso del contrapunto se ilustran esquemáticamente en 40a/40b y el carro en 40c. Las fibras 36 se proporcionan a partir de hebras de fibra. Las fibras 36 pueden preimpregnarse con el polímero no curado de la matriz polimérica 34/134 o, de forma alternativa, extraerse a través de un depósito del polímero no curado durante el siguiente proceso.

[0038] El proceso de bobinado tiene generalmente dos etapas, incluyendo una etapa para proporcionar el núcleo 30 y otra etapa para proporcionar las capas 32. Inicialmente, para colocar el núcleo 30, el huso del cabezal y el huso del contrapunto 40a/40b están fijos. El carro 40c se desplaza entre el huso del cabezal y el huso del contrapunto 40a/40b para colocar las fibras 36 que formarán el núcleo 30. Estas fibras son, por tanto, generalmente unidireccionales, aunque las fibras pueden presentar un grado menor de torsión. Cuando el carro 40c se desplaza sobre el huso del cabezal o el huso del contrapunto 40a/40b, las fibras 36 se enganchan al huso del cabezal o al huso del contrapunto 40a/40b. El número de pases de ida y vuelta entre el huso del cabezal y el huso del contrapunto 40a/40b determina el número de hebras de fibra proporcionadas para el núcleo 30.

[0039] Las capas 32 se enrollan entonces alrededor de las fibras 36 del núcleo 30. Para ello, el huso del cabezal y el huso del contrapunto 40a/40b se giran al unísono. Puesto que las hebras de fibra están enganchadas al huso del cabezal y al huso del contrapunto 40a/40b, el núcleo 30 gira con los husos 40a/40b. La rotación del núcleo 30 «arrolla» las hebras de fibra del carro 40c a medida que el carro se mueve a lo largo del núcleo 30 para colocar así las fibras 36 de las capas 32 en el ángulo de fibra deseado en relación con el eje de la línea central de la barra, que finalmente se convertirá en el eje en espiral A. El movimiento del carro 40c es sincrónico con la rotación del huso del cabezal y del huso del contrapunto 40a/40b, de modo que la colocación de la fibra resultante sobre el núcleo 30 se encuentra en el ángulo de fibra deseado. Cuando el carro 40c se desplaza sobre el huso del cabezal o el huso del contrapunto 40a/40b, las hebras de fibra 36 se enganchan al huso del cabezal o al huso del contrapunto 40a/40b. El carro 40c pasa de un lado a otro de los husos 40a/40b para producir la secuencia deseada de capas de fibra 32. Los movimientos del carro 40c y de los husos 40a/40b pueden controlarse mediante un controlador computarizado.

[0040] Al final del proceso de enrollamiento, la barra resultante se retira del equipo y se coloca en una cavidad de molde. La cavidad del molde tiene la forma final o casi final del resorte en espiral. El molde y la barra se colocan en una cámara de calentamiento y se calientan para curar el polímero de la matriz polimérica 34/134. A modo de ejemplo, el molde puede ser un molde de tipo de núcleo perdido que se retira después del proceso de calentamiento, como por ejemplo por disolución en un solvente adecuado. T ras el curado, el resorte en espiral mantiene sustancialmente la forma de la cavidad del molde. Tras la retirada del molde de núcleo perdido, el resorte en espiral adopta la forma final diseñada y las propiedades físicas y mecánicas deseadas para el resorte en espiral. La forma del resorte en espiral puede cambiar un poco después de retirar el molde debido a tensiones residuales, por ejemplo.

[0041] Aunque en los ejemplos ilustrados se muestra una combinación de características, no es necesario combinarlas todas para obtener los beneficios de los diversos modos de realización de la presente exposición. En otras palabras, un sistema diseñado de conformidad con un modo de realización de la presente exposición no incluirá necesariamente todas las características mostradas en cualquiera de las figuras ni todas las porciones mostradas esquemáticamente en las figuras. Además, las características seleccionadas de un modo de realización de ejemplo pueden combinarse con características seleccionadas de otros modos de realización de ejemplo.

[0042] La descripción anterior es de carácter ejemplar y no limitativo. Para los expertos en la materia pueden resultar evidentes variaciones y modificaciones de los ejemplos dados a conocer que no se alejan necesariamente de la presente exposición. La invención se define por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Resorte en espiral compuesto (20) que comprende:

un cuerpo en espiral (22) que se extiende a lo largo de un eje en espiral (24), el cuerpo en espiral incluyendo,

una matriz polimérica y,

dispuesto en la matriz polimérica, un núcleo de fibra de carbono (30) y una pluralidad de capas de fibra (32) enrolladas alrededor del núcleo de fibra de carbono en ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral,

la pluralidad de capas de fibra incluyendo, de dentro a fuera empezando por el núcleo de fibra de carbono,

al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono (32a) de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral,

seguidas inmediatamente por al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de vidrio (32b) de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral, y

seguida inmediatamente por una capa de fibra exterior de fibra de carbono (32c).

2. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1, en el que la matriz polimérica incluye un polímero y nanopartículas de sílice dispersas en el polímero.

3. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 2, en el que la matriz polimérica incluye, en peso, del 15 % al 20 % de las nanopartículas de sílice.

4. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1, en el que cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa, y el espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

5. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1, en el que cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa, y el espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

6. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1, en el que las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono definen módulos de tracción respectivos, y el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

7. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 6, en el que el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono por un factor de al menos 1,25.

8. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 7, en el que la matriz polimérica incluye un polímero y nanopartículas de sílice dispersas en el polímero.

9. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 2 u 8, en el que la matriz polimérica incluye, en peso, del 10 % al 25 % de las nanopartículas de sílice.

10. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 9, en el que las al menos dos capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono incluyen al menos tres capas de fibra intermedias consecutivas de fibra de carbono de ángulos de fibra oblicuos alternados con respecto al eje en espiral.

11. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 9, en el que la pluralidad de capas de fibra consiste en cinco de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.

12. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 11, en el que la pluralidad de capas de fibra consiste en tres de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

13. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1 o 12, en el que cada capa de fibra de la pluralidad de capas de fibra define un espesor de capa, en el que el espesor de capa de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y es mayor que el espesor de capa de cada una de las capas de fibra intermedias de fibra de vidrio.

14. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1, en el que las fibras del núcleo de fibra de carbono y la pluralidad de capas de fibra comprenden, en volumen, del 38 % al 58 % del cuerpo en espiral.

15. Resorte en espiral compuesto según la reivindicación 1, en el que las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono y las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono definen módulos de tracción respectivos, y el módulo de tracción de las fibras de carbono de la capa de fibra exterior de fibra de carbono es menor que el módulo de tracción de las fibras de carbono de las capas de fibra intermedias de fibra de carbono.