ES2930413T3

ES2930413T3 - Disposición para la transmisión de momentos de torsión, en particular en forma de resorte de torsión o árbol de accionamiento, constituida por materiales compuestos de fibra para lograr un alto uso de material específico

Info

Publication number: ES2930413T3
Application number: ES19736605T
Authority: ES
Inventors: Jan Peckolt; Roland Vilsmeier; Jan Puetz
Original assignee: Nemos GmbH
Current assignee: Nemos GmbH
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2022-12-12
Anticipated expiration: 2039-06-18
Also published as: US20210317890A1; DE102018114583A1; DE202019102181U1; JP7843117B2; CN112313070A; EP3807084A1; PL3807084T3; JP2021528607A; CN112313070B; EP3807084B1; DK3807084T3; WO2019243354A1; US12305729B2

Abstract

La invención se refiere a un soporte de torsión, en particular un resorte de torsión, un resorte helicoidal, un eje de transmisión o un eje de equilibrio, que permite un ahorro significativo de material y espacio de instalación en comparación con el estado de la técnica. El soporte de torsión consta de una pluralidad, pero al menos dos capas de soporte que se encuentran radialmente una encima de la otra, cada una de las cuales consta de al menos una bobina en espiral (1, 3), pero preferiblemente de una pluralidad de bobinas en espiral hechas de predominantemente unidireccional material de fibra compuesto, en el que al menos dos de las capas de soporte tienen una orientación de bobina espiral contrarrotante entre sí. Entre las capas de espirales adyacentes está dispuesta una capa intermedia elástica (2), mediante la cual se logra un desacoplamiento de las expansiones de espirales de las capas de espirales adyacentes. Esto logra particularmente favorable, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Disposición para la transmisión de momentos de torsión, en particular en forma de resorte de torsión o árbol de accionamiento, constituida por materiales compuestos de fibra para lograr un alto uso de material específico

Planteamiento del problema

Los tubos sometidos a carga de torsión y los componentes similares que soportan momentos de torsión experimentan estados de tensión multiaxiales. Así, la tensión de cizallamiento en una sección vertical imaginaria a través de un tubo sometido a carga de torsión se convierte de forma correspondiente al círculo de tensión de Mohr en dos tensiones principales ortogonales en las direcciones de /-45°, en cada dirección bajo tensión de tracción y de compresión. Este estado de tensión no es problemático para los materiales amorfos (metales) correspondientemente a sus límites de material. Sin embargo, los materiales compuestos de fibra son particularmente sensibles a los estados de tensión multiaxiales. Para soportar las tensiones principales, las capas de laminado se colocan preferentemente en las direcciones de tensión principales. Por lo tanto, los tubos de torsión clásicos fabricados de materiales compuestos de fibra están constituidos por fibras con diferente sentido de giro. Por ejemplo, las fibras con una dirección de arrollamiento de 45 grados soportan las tensiones de tracción y las fibras con una dirección de arrollamiento de -45 grados soportan las tensiones de compresión. A este respecto, las fibras de estas dos direcciones están dispuestas de forma ortogonal entre sí.

Sin embargo, las capas de laminado que no están dispuestas de forma paralela entre sí pueden experimentar interacciones desfavorables:

Una carga de tracción o de compresión en una dirección de fibra produce una expansión longitudinal positiva o negativa. De forma correspondiente a la conexión directa a una estructura de laminado continua, esto produce una expansión transversal en la otra dirección de fibra respectiva. Sin embargo, los materiales compuestos de fibra presentan únicamente una capacidad de expansión reducida transversalmente a la dirección de las fibras. Esto se debe principalmente a dos razones: las fibras están muy próximas entre sí y tienen una rigidez significativamente superior a la del material de la matriz circundante, lo que se traduce en que solo hay disponibilidad de un espacio de expansión muy limitado, por lo que el material de la matriz se expande excesivamente incluso en el caso de expansiones transversales reducidas del material compuesto (principalmente en el caso de materiales compuestos con fibras amorfas, por ejemplo, fibras de vidrio), o las propias fibras son tan sensibles debido a su naturaleza anisotrópica que se dañan incluso con cargas transversales reducidas (por ejemplo en el caso de fibras de carbono).

Incluso con pequeñas expansiones transversales se forman, por lo tanto, grietas interlaminares, lo que reduce la capacidad de carga longitudinal del material compuesto dañado de esta forma y puede tener como consecuencia un fallo del componente. Se ven afectadas principalmente las zonas del laminado sometidas a carga de compresión debido a la reducción de su estabilidad.

A este respecto, los cambios de carga repetidos producen una propagación acelerada de las grietas, por lo que para reducir el nivel de expansión en general, entre otras cosas, se requieren tolerancias de fatiga elevadas en el dimensionamiento. Esto significa que un componente con una gran cantidad de ciclos de carga esperados debe fabricarse con un consumo significativamente mayor de material para limitar las expansiones y las tensiones. Esto tiene un efecto particularmente negativo en el caso de componentes de resorte (en este caso, resortes de torsión), ya que la energía elástica almacenable es proporcional al producto de la tensión y la expansión. Respectivamente, la energía almacenable es proporcional al cuadrado de la tensión o al cuadrado de la expansión debido a la relación lineal entre las dos variables.

El grado de utilización de material generalmente desfavorable es, por lo tanto, una de las principales razones del uso limitado de materiales compuestos de fibra en aplicaciones de este tipo.

Otro problema es el fallo de los componentes de torsión de materiales compuestos de fibra debido a cargas por empuje. En este caso, una capacidad de deformación insuficiente produce grietas interlaminares entre hebras de fibra paralelas.

Enfoque de resolución

Mientras que los soportes de torsión con estructuras de laminado convencionales solo pueden soportar niveles de tensión relativamente bajos (en el caso de PRFV de hasta aproximadamente 200 MPa) debido a la sensibilidad mencionada anteriormente con respecto a los estados de tensión multiaxiales, podrían lograrse tensiones significativamente más altas (en el caso de PRFV de hasta aproximadamente 600 MPa) con el enfoque de resolución que se describe a continuación. La triplicación del nivel de tensión significa que se pueden realizar

- componentes transmisores de torsión con aproximadamente 1/3 de uso del material

- resortes de torsión con aproximadamente 1/9 de uso del material debido a la expansión aproximadamente lineal con respecto a la tensión.

Mientras que los soportes de torsión con estructuras de laminado convencionales solo pueden soportar niveles de tensión relativamente bajos (en el caso de PRFV de hasta aproximadamente 300 MPa de tensión paralela a la fibra) debido a la sensibilidad mencionada anteriormente con respecto a los estados de tensión multiaxiales, podrían lograrse tensiones significativamente más altas (en el caso de PRFV de hasta aproximadamente 600 MPa) con el enfoque de resolución que se describe a continuación. La duplicación del nivel de tensión significa que se pueden realizar

- componentes transmisores de torsión con aproximadamente la mitad de uso de material

- resortes de torsión con aproximadamente 1/4 de uso del material debido a la expansión aproximadamente lineal con respecto a la tensión.

Además de las ventajas con respecto al peso y al coste, el concepto propuesto también puede permitir ahorros considerables con respecto al espacio de instalación requerido.

Se propone una estructura con capas separadas de hélices individuales, que presentan un sentido de giro (de arrollamiento) opuesto de las fibras. Por hélices se entiende tiras helicoidales de anchura limitada, que se enrollan helicoidalmente con un determinado ángulo de paso sobre una superficie envolvente cilíndrica alrededor del eje longitudinal del componente. Las hélices que discurren en sentidos opuestos se apoyan entre sí radialmente al someterlas a una carga, y la carga de torsión se convierte en carga(s) de tracción en la(s) hélice(s) externa(s) (1) y carga(s) de compresión en la(s) hélice(s) interna(s) (3). Las hélices de un plano de capa (radial) deberán poder cambiar la distancia entre las mismas dependiendo de la forma de carga, lo que permite una expansión transversal a la dirección longitudinal de las hélices. Además, el espacio de compensación previsto favorece las deformaciones por cizallamiento entre las hélices paralelas adyacentes de una capa.

Debido a la estructura propuesta, las hélices deberán experimentar estados de tensión uniaxiales en la medida de lo posible con cargas de tracción o de compresión predominantemente en la dirección longitudinal, lo que significa que pueden formarse principalmente a partir de laminados unidireccionales (fibras en la dirección longitudinal de la hélice) o de material compuesto de fibra ligeramente trenzado (con una orientación media de las fibras en la dirección longitudinal de la hélice). En una forma de realización favorable, las desviaciones de las fibras con respecto a la dirección longitudinal de la hélice son inferiores a 10 grados, de forma más preferida inferiores a 5 grados.

Para que la expansión longitudinal de las hélices de una capa no incida directamente sobre las hélices de una capa adyacente que se encuentra transversalmente a la misma, sino que la compensación de la expansión transversal tenga lugar principalmente en las rendijas previstas para ello entre las hélices, está previsto que las capas estén desacopladas entre sí por medio de una zona de compensación, que en lo sucesivo se denominará "capa intermedia". El efecto del desacoplamiento de la expansión transversal se muestra en la figura 9 a modo de ejemplo. Se muestra a modo de ejemplo una hélice externa 1, que se expande por una carga de tracción. Una capa intermedia 2a y una hélice interna 3 se unen en el lado interior. La capa intermedia 2a mostrada en esta figura a modo de ejemplo en una variante de realización "a" experimenta una expansión como resultado de la conexión con la hélice externa 1. Debido a su propia capacidad de deformación, la expansión no incide (o solo lo hace en medida reducida) sobre las hélices internas 3 sometidas a carga de compresión. En lugar de producir una expansión transversal perturbadora dentro de las hélices internas 3, la expansión únicamente produce un aumento de la rendija 5 entre dos hélices internas 3 adyacentes, como resultado de lo cual la distancia entre las dos hélices internas 3 adyacentes aumenta (véase la figura 1).

El efecto correspondiente también se logra de forma análoga para cargas de compresión en las hélices internas 3. A este respecto, la capa intermedia 2 y la rendija de compensación 4 también posibilitan que un acortamiento de las hélices internas debido a cargas de compresión dé lugar a una reducción de la rendija (4) entre las hélices externas 1 y, por lo tanto, las hélices externas 1 están protegidas contra compresiones transversales no deseadas.

Los elementos de volumen de la capa intermedia 2a, que pueden considerarse a modo de ejemplo como elementos de apoyo con forma de paralelepípedo entre las hélices que se cruzan, experimentan una deformación debido a una compresión simultánea de las hélices internas 3 adyacentes como consecuencia de la fuerza de compresión (F_Compresión) y el alargamiento de las hélices externas 1 como consecuencia de la fuerza de tracción (F_Tracción) para dar una pirámide truncada, véase la figura 10. Esta capacidad de deformación garantiza que la expansión longitudinal de las fibras de una capa no se transfiera al material compuesto de fibra de las hélices de la capa adyacente, lo que puede denominarse desacoplamiento de expansión transversal.

Distinción con respecto al estado de la técnica

Por el documento EP 0351 723 A2 se conoce un elemento de resorte tubular, torsionable, que se refiere a dos cuerpos tubulares dispuestos concéntricamente uno dentro del otro, que están formados por fibras, alambres, barras o laminillas que discurren en un ángulo de entre 0° y 90°, siendo opuestas las direcciones de arrollamiento de los cuerpos tubulares. El cuerpo tubular interior experimenta una expansión al someterlo a una carga de torsión y el cuerpo tubular exterior experimenta una contracción al someterlo a una carga de torsión. Además, los dos cuerpos tubulares se apoyan uno en otro por lo menos a partir de una carga de torsión definida, estando dispuesta entre los cuerpos tubulares una capa elástica delimitada aislante, y estando cada uno de los dos cuerpos tubulares unidos en sus extremos con, en cada caso, una pieza común de transmisión de fuerza. Como cuerpos tubulares están previstas, en particular, unas laminillas en forma de hoja fabricadas de metal para resortes o, alternativamente, tubos continuos fabricados a partir de una estructura plana de fibra. No se describen hélices con rendijas intermedias constituidas por un material compuesto de fibra.

En el estado de la técnica se pueden encontrar disposiciones geométricamente similares a las de la presente invención, sobre todo en el contexto de los árboles de accionamiento flexibles. No obstante, estas invenciones persiguen un objetivo diferente y, en consecuencia, difieren en las características esenciales del dispositivo. Por ejemplo, en el documento US 8,984,698 no se describen hélices compuestas de fibra, sino que se describen hélices metálicas. O en el caso de la disposición conocida por el documento US 2018/0258979, que también tiene una gran similitud geométrica, no está prevista una capa intermedia elástica. Dado que se pudo demostrar (en forma de simulación) que esta es un elemento importante o, respectivamente, un requisito previo para el desacoplamiento de las hélices de material compuesto de fibra y los estados de tensión uniaxiales asociados, se demostró la mejora descrita en el grado de uso de material (en investigaciones experimentales).

Características de realización

Las hélices de un plano de capa pueden estar diseñadas de forma que presenten un filete o múltiples filetes. Que presenten múltiples filetes significa que cada capa contiene una pluralidad de hélices. En el caso de un componente tubular, estas se enrollan de forma paralela entre sí con el mismo paso alrededor del eje longitudinal del tubo, presentando las hélices de una capa la misma distancia radial desde el eje longitudinal central del tubo. En una forma de realización favorable, se utilizan más de tres hélices, de forma más preferida más de seis hélices, de forma más preferida más de 10 hélices por capa.

Los ángulos de las hélices, es decir, el paso de sus vueltas de rosca, se pueden seleccionar de forma correspondiente con los requisitos de una aplicación y, por lo tanto, influyen sobre la rigidez del componente. Con respecto a la dirección longitudinal del componente (tubo), son técnicamente adecuados ángulos en el intervalo comprendido entre aproximadamente 10 grados y 85 grados o, respectivamente, en la capa opuesta de entre -85 grados y -10 grados. Una forma de realización favorable presenta ángulos de aproximadamente 45 grados y -45 grados para las dos direcciones de arrollamiento (sentido de giro). Para producir un equilibrio de fuerzas, la disposición de /- 45 grados especificada puede desviarse en cantidades de grados de una sola cifra, lo que da como resultado disposiciones con 40 grados y -50 grados, por ejemplo.

Como variante de realización de la presente invención, también se proponen elementos de torsión que incluyen un mayor número de capas, es decir, más de dos capas. Pueden contener varios pares de capas de tensión y compresión, que en cada caso están desacopladas por medio de capas intermedias. Esto reduce la presión radial entre las capas individuales, de modo que se pueden utilizar materiales más blandos y todo el componente también puede experimentar cargas en un sentido opuesto al giro del momento. Cuando se invierte la dirección del momento, las hélices externas descritas previamente experimentan cargas de compresión (en lugar de cargas de tracción como en la forma de carga básica descrita previamente) y las hélices internas cargas de tracción (en lugar de cargas de compresión como en la forma de carga básica descrita previamente). En este caso, se producen cargas de tracción entre las capas (en lugar de cargas de compresión como en la forma de carga básica descrita previamente), que deben transmitirse a través de la capa intermedia. Además de la variante descrita con 2 capas que soportan carga (una capa de tracción y una capa de compresión), también son favorables las variantes con 3, 4, 5, 6 o un número superior de capas.

Debe mencionarse que dentro del alcance de la presente invención, el término "hélice interna" se refiere a hélices que, al someter el componente a una carga, experimentan fuerzas de compresión en su dirección preferida. El término hélice externa, por otra parte, se refiere a las hélices que experimentan cargas de tracción en su dirección preferida al someter a una carga el componente. En los casos en que los soportes de torsión descritos estén formados por más de dos capas con hélices en dirección radial, los términos "interno" y "externo" se refieren a la disposición relativa de un par de dos capas que se apoyan entre sí en dirección radial.

El resultado de la estructura descrita para desacoplar las hélices de capas adyacentes entre sí y para desacoplar las hélices dentro de una capa es que las tensiones en las hélices discurren predominantemente en la dirección de la fibra y se suprimen (o por lo menos se reducen) expansiones transversales perturbadoras. Por lo tanto, se puede lograr un alto grado de utilización del material compuesto de fibra, con el resultado de que se pueden permitir una capacidad de deformación y tensiones más elevadas, por lo que los componentes se pueden realizar con menos espacio de instalación y un uso de material más reducido que con los sistemas convencionales. Con una estructura dada, se puede almacenar una energía de expansión específica particularmente elevada en un resorte de torsión.

La invención prevé varias variantes de realización de la capa intermedia (2):

La capa intermedia puede realizarse con un material elástico, con lo que se garantiza un espacio entre capas adyacentes de hélices que soportan carga que discurren en sentidos opuestos y, gracias a su capacidad de deformación, permite un desacoplamiento de las capas, por lo que una expansión longitudinal de las hélices de una capa da como resultado una expansión transversal de las hélices de la capa adyacente solo en una medida reducida. En una forma de realización favorable, la capa intermedia está unida con las hélices que soportan carga, en particular unida mediante unión por arrastre de material. Esto puede ser de fundamental importancia, ya que en particular las hélices sometidas a carga de compresión experimentan una fijación y su longitud de pandeo libre (con respecto a un fallo de estabilidad) se reduce significativamente.

Para una unión por arrastre de material se pueden utilizar promotores de adherencia especiales, que permiten una unión especialmente buena entre el material compuesto de fibra y la capa intermedia elástica. O se puede utilizar un material de capa intermedia que se una especialmente bien con el material compuesto de fibra, en particular un elastómero que se endurece o se reticula junto con la resina sintética del material compuesto de fibra.

Con el fin de obtener una alta capacidad de deformación para la compensación entre capas que soportan carga (o entre las hélices externas (1) y las hélices internas (3)) y al mismo tiempo asegurar una alta capacidad de carga frente a la presión radial entre las capas o para limitar las pérdidas de energía (efectos de amortiguamiento disipativos), se puede utilizar un material relativamente duro, que solo obtiene la capacidad de deformación requerida mediante la conformación adecuada. En el contexto de la presente invención, esta segunda variante de la capa intermedia (con un material relativamente duro especialmente conformado) también se denominará "capa intermedia elástica". A este respecto, las figuras 4a a 4d muestran una disposición en la que la capa intermedia está construida como rombos individuales, que solo está presente en las zonas en las que se cruzan las hélices. En zonas en las que existe una rendija (4 y 5) en una de las capas que soportan carga entre las hélices también está la capa intermedia interrumpida. En este caso, la capa intermedia elástica presenta por lo tanto rendijas que están configurados como continuación radial de las rendijas de compensación entre las hélices de una capa y que interrumpen parcialmente o totalmente la capa intermedia.

Con respecto a la producción, esta conformación se puede crear antes de que se unan las dos capas que soportan carga, o se puede retirar el material de la capa intermedia mediante eliminación de material a través de las rendijas de las hélices (mediante mecanizado o por eliminación con láser o por corte con chorro de agua) para generar las interrupciones de la superficie. Alternativamente, en las figuras 5a a 5c se presenta una disposición en la que la capa intermedia está formada por dos capas (2b1) y (2b2). Estas capas están dispuestas, en cada caso, a lo largo de la hélice externa (1) y la hélice interna (3) y están unidas, por lo tanto, de forma plana. Por tanto, la capa intermedia presenta rendijas a lo largo de las rendijas de las hélices que se forman hasta aproximadamente la mitad del espesor de la capa. Estas capas se fabrican cada una junto con las hélices, o los espacios pueden producirse a partir de una capa intermedia plana mediante una eliminación de material parcial posterior en la zona de las rendijas de las hélices externa e interna. Esta eliminación de material parcial se puede realizar, por ejemplo, hasta la mitad del espesor de la capa o se puede producir una ranura redondeada (acanaladura) en la capa intermedia.

Es posible otra forma de realización cuando se utilizan materiales relativamente blandos, tales como, por ejemplo, poliuretano o caucho. En este caso, la capa intermedia se conforma como un volumen relleno (sin ranuras). Las deformaciones requeridas (principalmente deformaciones por cizallamiento para el desacoplamiento de las capas) se realizan en este caso por medio de la capacidad de deformación del material blando. Una variante ventajosa de la misma es una disposición en la que se evita que el material de la capa intermedia se expulse a través de las rendijas de compensación de hélice. Como resultado, la deformación del material de la capa intermedia se limita y la presión entre las hélices externas y las hélices internas se convierte parcialmente en una presión que actúa por todos los lados (hidrostática), que también es admisible en una medida relativamente elevada en el caso de materiales blandos. Las figuras 6a a 6c muestran esta variante geométrica de la capa intermedia (2c). La capa continua (2c2) limita en este caso con el relleno de las rendijas de compensación de las hélices externas (2c1) y el relleno de las rendijas de compensación de las hélices internas (2c3). Los rellenos de las rendijas de compensación (2c1 y 2c3) pueden ser del mismo material que la superficie de la capa intermedia (2c2) o de otro material. Un material significativamente más blando es favorable en este caso. Las figuras 7a a 7c representan esta variante de la capa intermedia (con los elementos 2c1, 2c2, 2c3) a modo de ilustración en combinación con las hélices asociadas (1) y (3).

Otra forma de realización es una estructuración de la capa intermedia para mejorar el comportamiento de expansión.

Tal como se muestra en la figura 11, la superficie de la capa intermedia puede presentar acanaladuras o laminillas cuando entra en contacto con una hélice, que se encuentran transversalmente a la dirección de la fibra o, respectivamente, a la expansión longitudinal de la hélice. Una expansión de la hélice respectiva se convierte así en un cambio de ángulo o, respectivamente, una inclinación de las acanaladuras o las laminillas, como resultado de lo cual se mejoran las propiedades de desacoplamiento. Además de la disposición mostrada, esto se puede realizar en ambos lados de la capa intermedia (encontrándose las acanaladuras o las laminillas de los dos lados en un ángulo entre sí, en el que también se encuentran entre sí las hélices de las dos capas que se van a desacoplar).

Según la invención, en general también están previstas diversas variantes de diseño para las rendijas de compensación entre las hélices. Las rendijas pueden rellenarse con un material elástico (tal como, por ejemplo, poliuretano, silicona, goma, una espuma o una resina epoxi) que favorezca el efecto de presión hidrostática descrito anteriormente. O las rendijas pueden dejarse sin rellenar (conteniendo así el medio circundante, tal como, por ejemplo, aire) para que su capacidad de deformación sea ilimitada. También son posibles variantes intermedias tales como un relleno parcial (2d), véanse las figuras 8a a 8c. Según la invención, también están previstas variantes en las que se favorece un desplazamiento de material mediante orificios o inclusiones de aire específicas (por ejemplo, mediante una espuma comprimible) y se influye positivamente sobre las propiedades de deformación en esta zona.

Existen varias opciones de diseño para el perfil de las hélices o, respectivamente, su geometría de corte transversal. Además de hélices rectangulares, pueden usarse hélices redondas (cilindros), semicilíndricas, ovaladas (véanse las figuras 8a a 8c) o también en gran medida rectangulares con lados redondeados individuales. En particular, se considera ventajoso en el contexto de la invención un perfil rectangular con una superficie lateral redondeada que está en contacto con la capa intermedia, ya que así se reducen las deformaciones por cizallamiento que se producen en la capa intermedia.

Como variante de realización ventajosa de las propias hélices, estas pueden contener por lo menos parcialmente, en particular las hélices sometidas a carga de compresión, en su superficie orientada hacia una capa intermedia elástica, fibras de descarga de tracción con una orientación transversal a la dirección longitudinal de la hélice. Estas fibras pueden soportar una parte esencial de las tensiones transversales inducidas a través de la capa intermedia. Como resultado, las tensiones transversales o, respectivamente, las expansiones transversales en el material que soporta carga de la hélice (en las fibras en la dirección longitudinal de la hélice) son menores bajo carga, de modo que la hélice puede soportar cargas más elevadas en la dirección longitudinal de la hélice, en particular también cargas cíclicas.

Para una conexión terminal de las hélices que sea apropiada para la carga y la deformación, estas pueden presentar un mayor espesor de capa en sus extremos, el componente puede presentar un mayor diámetro de tubo en sus extremos y/o puede haber presencia de una orientación modificada de la hélice en el extremo del componente. Como resultado, cuando el componente se somete a una carga en estas zonas, se produce una tensión longitudinal más reducida en las hélices, de forma que se pueden absorber tensiones adicionales producidas por una flexión de las hélices.

También se pueden unir unas piezas terminales adicionales a los extremos de las hélices (por ejemplo, por medio de conexiones adhesivas), que permitan una flexión armoniosa de las hélices y la transmisión de fuerzas en la dirección longitudinal de las hélices a un componente adyacente o una conexión articulada de las hélices a la pieza terminal de un componente.

En otra variante de realización favorable, la zona de flexión en el extremo de las hélices se puede realizar con un estrechamiento de las hélices, lo que mejora la capacidad de deformación cuando el paso de las hélices cambia bajo carga y las tensiones de flexión adicionales que se producen son inferiores a las que se producen con una hélice de anchura completa. En este caso se reduce el momento de inercia superficial relevante para la flexión de las hélices en el plano de envolvente.

Además de la estructura mostrada con, en cada caso, dos capas de hélices que discurren en sentido opuesto, también están previstas estructuras con tres o más capas de diferentes orientaciones de hélice. Por ejemplo, además de las dos capas que soportan torsión descritas con hélices de aproximadamente /- 45 grados para mejorar la rigidez a la flexión del componente general, se puede incluir una tercera capa con fibras en la dirección longitudinal del tubo y opcionalmente también con hélices y rendijas en la dirección longitudinal del tubo. Esta también se puede desacoplar de las capas adyacentes mediante una capa intermedia elástica para reducir los efectos de la expansión transversal en dirección radial.

En una variante de realización favorable, el tubo formado por hélices puede contener en su interior un tubo o un núcleo de material plano o de material macizo, en particular con fibras en la dirección longitudinal del tubo o fibras en una dirección de arrollamiento de aproximadamente 45 grados con respecto a la dirección longitudinal del tubo. A este respecto, con el núcleo se obtiene una mayor capacidad de carga y/o rigidez frente a fuerzas transversales, momentos de flexión o cargas radiales. Al mismo tiempo, debido a su reducido diámetro exterior (con respecto al componente general), presenta suficiente capacidad de deformación en la dirección de torsión. Para aumentar localmente la capacidad de carga del componente contra momentos de flexión en una medida particular, el núcleo descrito también puede ensancharse cónicamente de forma local (en particular en los extremos del componente).

En una forma de realización favorable, el núcleo está desacoplado de las capas radialmente exteriores con hélices por medio de una capa intermedia elástica.

Con respecto a la forma exterior, el soporte de torsión descrito (también denominado "el componente") se puede diseñar en forma de tubo o como barra redonda recta o curva. En una forma de realización favorable, el diámetro interior y/o el diámetro exterior del componente pueden ensancharse en forma de embudo en la zona de los extremos del tubo o de la barra. Este ensanchamiento puede terminar en una brida plana o cónica o en una pieza de acoplamiento para la conexión a componentes adyacentes. Cuando el diámetro se aumenta, las hélices en los extremos del componente pueden proyectarse en forma radial en la brida plana o cónica mencionada. En una forma de realización favorable, puede realizarse la introducción de las fuerzas en las hélices mediante un arrastre de materiales, un arrastre por fricción o un arrastre de forma.

En otra variante de realización ventajosa, el soporte de torsión tubular o en forma de barra puede tener una forma curva. Por ejemplo, puede presentar la forma externa de un tornillo o, respectivamente, un resorte helicoidal. El tubo o la barra pueden estar curvados alrededor de uno o varios ejes. También se puede retorcer alrededor del eje longitudinal del tubo adicionalmente a una curvatura.

En sus extremos, el componente helicoidal puede tener un diámetro helicoidal reducido y/o una altura de paso helicoidal modificada.

En forma de un resorte helicoidal que se puede someter a una carga de tracción o de compresión, el tubo curvado o, respectivamente, la barra curvada experimenta predominantemente cargas de corte de torsión. En este caso, la estructura descrita según la invención con hélices que discurren en sentido contrario desacopladas unas de otras ha demostrado ser especialmente capaz de soportar cargas. El estado de tensión predominantemente uniaxial en las hélices de material compuesto de fibra permite un mayor grado de uso del material compuesto de fibra con valores de tensión y expansión permisibles significativamente más altos. Así, el soporte de torsión (en forma de resorte helicoidal) soporta cargas y amplitudes mayores. O por el contrario, se puede realizar con un nivel dado de carga y amplitud de movimiento con un uso de material significativamente menor. Esto se aplica en particular a las formas cíclicas de carga.

Sobre la base de la estructura de soporte de torsión descrita, se pueden realizar varios dispositivos con diferentes formas de construcción específicas de la aplicación. Estos incluyen, en particular, un resorte de tubo de torsión, una barra de torsión, un resorte helicoidal, un árbol de accionamiento, un árbol de torsión flexoelástico o un árbol de compensación (o acoplamiento elástico) con tolerancia de ángulo y de desviación.

Con respecto a la reivindicación 3, se observa que describe una disposición de múltiples filetes, con una pluralidad de hélices distribuidas a lo largo de la circunferencia que preferentemente discurren de forma paralela entre sí en una dirección axial del soporte de torsión. Preferentemente, está prevista una disposición de por lo menos 3 filetes, de forma más preferida de por lo menos 6 filetes, de tal manera que una capa contiene por lo menos tres hélices, de forma más preferida por lo menos seis hélices. Para la mayor parte de las aplicaciones técnicas, una disposición de más de 10 hélices distribuidas alrededor de la circunferencia ha demostrado ser ventajosa.

La relación entre la altura de las hélices (visto en dirección radial) y la anchura de las hélices se encuentra preferentemente entre 1:1 y 1:3.

Como ejemplos de materiales amortiguadores según la reivindicación 4, se hace referencia en particular a caucho o poliuretano y otros materiales con propiedades elásticas y propiedades de amortiguación similares.

De las capas mencionadas en la reivindicación 9, están previstas en particular 3, 4, 5, 6, 7 u 8 capas.

Por lo menos una de las capas mencionadas en la reivindicación 10 contiene preferentemente hélices y rendijas en la dirección longitudinal del componente, lo que da lugar a una mayor rigidez a la flexión o capacidad de carga de flexión.

El núcleo al que se refiere la reivindicación 12 está formado, en particular, por un elemento cilíndrico macizo (barra maciza) y/o por un tubo cilíndrico hueco, pudiendo ambos estar construidos, en particular, de materiales compuestos de fibra. Como alternativa o adicionalmente, el núcleo preferentemente presenta fibras orientadas en la dirección longitudinal del tubo y/o fibras orientadas a 45 grados (dado el caso con una tolerancia de /-15 grados).

Con respecto a un diámetro cambiante según la reivindicación 13 en la dirección de los extremos del componente, se puede formar un diámetro interior que se ensancha hacia fuera en forma de embudo en una forma de realización favorable. Por ejemplo, los extremos del componente pueden desembocar en una brida diseñada de forma plana o cónica o en un contorno de acoplamiento para la conexión con componentes adyacentes. Por componentes adyacentes se entienden, en particular, aquellos componentes que se van a acoplar con el soporte de torsión de forma resistente a la torsión. A este respecto, el diámetro interior se determina previamente preferentemente por el contorno interior de una hélice interna y/o por una capa interior que se une al lado interior.

Definiciones y explicaciones

Hélice: la hélice, también denominada estructura helicoidal, tomillo, línea helicoidal, espiral cilindrica, es una curva que se enrolla alrededor de la envolvente de un cilindro con un paso constante. Está formada por una superficie (= capa, plano) curvada en un radio, que presenta hendiduras helicoidales.

Capa: capa tubular del componente (sobre una superficie envolvente cilíndrica) con una función definida. Esta puede ser una capa intermedia o una capa con las denominadas hélices que soportan carga (hélices externas o internas para transferir tensiones de tracción y compresión).

Fileteado: diseño de una capa en forma de hélice con rendijas

Capa intermedia: capa para desacoplar expansiones entre dos capas que soportan carga adyacentes (capa de desacoplamiento entre hélices externas transmisoras de tracción y hélices internas transmisoras de compresión) Cilindro hueco: cilindro circular hueco

Rendija de compensación: rendija entre las hélices de una capa, que en particular permite la expansión entre las hélices. En este contexto, también se puede utilizar la terminología de una disposición "ranurada", en la que las hélices y las rendijas de compensación se generan a partir de una capa cerrada. Las rendijas de compensación se pueden rellenar o no rellenar.

Expansión transversal: expansión transversal a la dirección de la fibra, que tiene efectos significativos sobre la capacidad de carga de los materiales compuestos de fibra debido al menor espacio de expansión de la matriz, especialmente en el caso de cargas repetidas (fatiga).

Direcciones: la dirección principal de extensión de la hélice debe entenderse en particular como la dirección longitudinal de la hélice, es decir, la dirección de la mayor expansión longitudinal de una hélice, que se extiende preferentemente en una curva helicoidal alrededor de una superficie envolvente cilíndrica (dado el caso solo virtual). Por anchura de la hélice se entiende la dirección que se encuentra en el plano envolvente y es ortogonal a la dirección principal de extensión. La extensión en la tercera dimensión de la hélice se denomina altura o espesor de la hélice. En el caso de un tubo o barra, corresponde a la extensión en dirección radial.

Indicaciones adicionales sobre las figuras

Los dibujos 2 a 8 muestran las capas del componente en estado desplegado por motivos de claridad.

Listado de símbolos de referencia

1 Hélice externa

2 Capa intermedia

3 Hélice interna

4 Rendija de compensación entre hélices externas

5 Rendija de compensación entre hélices internas

2a Capa intermedia en la zona en la que se cruzan las hélices de capas adyacentes

2b1 Parte de la capa intermedia en contacto con las hélices externas

2b2 Parte de la capa intermedia en contacto con las hélices internas

2c1 Relleno de la rendija de compensación de las hélices externas

2c2 Capa intermedia plana

2c3 Relleno de la rendija de compensación de las hélices internas

2d Capa intermedia entre hélices ovaladas que no se proyecta, o penetra parcial o totalmente, en las rendijas entre las hélices

11 Capa intermedia estructurada para mejorar la capacidad de deformación.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Soporte de torsión con por lo menos dos capas, cada una de las cuales está formada por lo menos por una hélice (1, 3) fabricada de material compuesto de fibra, presentando por lo menos dos capas una dirección de giro de hélice opuesta entre sí y estando por lo menos una capa intermedia (2) elástica espaciadora dispuesta entre dichas capas, estando por lo menos parcialmente previstas unas rendijas (4, 5) entre unas hélices adyacentes de una capa (1, 3), y/o estando por lo menos parcialmente un relleno de material de relleno elástico (2c1, 2c3) dispuesto entre unas hélices adyacentes de una capa, y/o extendiéndose una capa intermedia elástica por lo menos parcialmente hasta la zona entre unas hélices adyacentes de una capa.

2. Soporte de torsión según la reivindicación 1, caracterizado por que las direcciones principales de fibra de las hélices (1, 3) están orientadas en la dirección de extensión principal de las hélices.

3. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que por lo menos una capa contiene una pluralidad de hélices (1, 3).

4. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que una o varias capas intermedias (2) y/o los rellenos (2c1, 2c3) entre unas hélices de una capa contienen unas cavidades y/o incisiones y/o unos orificios y/o están formados por lo menos parcialmente por un material espumado y/o por un material de amortiguación.

5. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que por lo menos una parte de las hélices (1, 3), en una superficie orientada hacia una capa intermedia, presentan unas fibras de descarga de tracción con una orientación transversal a la dirección de extensión principal de las hélices.

6. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el soporte de torsión presenta en sus extremos un diámetro interior y/o exterior que aumenta en forma de embudo y/o en la zona de los extremos del soporte de torsión hay presencia de un paso modificado de las hélices (1, 3).

7. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las hélices (1, 3) presentan en cada caso en la zona de sus extremos un espesor de capa aumentado y/o en los extremos de las hélices (1, 3) están dispuestas unas piezas terminales.

8. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las hélices (1, 3) presentan en cada caso una anchura reducida en la zona de sus extremos y dichas hélices presentan por lo tanto una mayor capacidad de deformación en caso de flexión en el plano envolvente.

9. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que están previstas más de dos capas con las hélices (1, 3) desacopladas entre sí por medio de las capas intermedias (2) elásticas.

10. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que están previstas unas capas con por lo menos tres orientaciones de hélice diferentes, estando dichas capas separadas por las capas intermedias (2).

11. Soporte de torsión según la reivindicación anterior, en el que por lo menos una de las capas contiene unas hélices y unas rendijas en la dirección longitudinal del componente.

12. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está dispuesto un núcleo que aumenta la rigidez a la flexión o la capacidad de carga de fuerza transversal radialmente en el interior de las capas con las hélices.

13. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en dirección a sus extremos está configurado un diámetro interior y/o exterior cambiante.

14. Soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que un tubo constituido por unas capas con unas hélices (1, 3) o una barra redonda constituida por unas capas con unas hélices (1, 3) presenta la forma exterior de un tornillo.

15. Resorte de tubo de torsión, barra de torsión, árbol de torsión flexoelástico, árbol de accionamiento o resorte helicoidal constituido por un soporte de torsión según una o varias de las reivindicaciones anteriores.