Amortiguador de fricción basado en elastómeros magnéticos.

Amortiguador de fricción basado en elastómeros magnético.

La presente invención hace referencia a un amortiguador que emplea un elastómero magnético como elemento que ejerce una fuerza de fricción en el dispositivo.

El elastómero magnético puede estar compuesto por organosiloxanos, poliuretanos, aceite de silicona, aditivos o una mezcla de estos componentes y partículas magnéticas de hierro, de temario tanto manométrico como micrométrico. El amortiguador posee en su interior una o varias bobinas, que son capaces de generar un campo magnético que modifica las propiedades reológicas del elastómero magnético, así como en su magnetostricción.

La presente invención hace referencia a un amortiguador que ejerce su efecto de amortiguación sobre un elemento flotante presente en algunos dispositivos, por ejemplo el tambor de una lavadora o secadora de carga frontal. Más concretamente, hace referencia a un amortiguador que emplea un elastómero magnético como elemento que ejerce una fuerza de fricción en el dispositivo y, por lo tanto, actúa como medio de amortiguación. El elastómero magnético puede estar compuesto por organosiloxanos, poliuretanos, aceite de silicona, aditivos o una mezcla de estos componentes y partículas magnéticas de hierro, de tamai'lo tanto nanométrico como micrométrico. El amortiguador posee en su interior una o varias bobinas, que son capaces de generar un campo magnético que modifica las propiedades reológicas del elastómero magnético, por ejemplo, viscosidad, módulo de rigidez, módulo elástico, módulo viscoso, entre otras, así como en su magnetostricción Este tipo de amortiguadores pueden ser utilizados en diferentes dispositivos tales como en el campo de la robótica, por ejemplo, en piernas protésicas; en el campo de la ingeniería civil, por ejemplo, para la amortiguación de movimientos producidos por terremotos y ráfagas de viento; en el campo automotriz, por ejemplo, en atenuadores de vibraciones, tanto en vehículos como en otro tipo de mecanismos; en maquinaria ligera, por ejemplo, en lavadoras o secadoras; y en mecanismos utilizados en el deporte.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención hace referencia al campo de la amortiguación, al control del movimiento indeseado en maquinaria ligera y al ruido generado por dichas vibraciones, por ejemplo, en el caso de lavadoras o secadoras. Especialmente, hace referencia al empleo de un medio controlable en amortiguación, en este caso un elastómero magnético, que ejerce una resistencia al movimiento y, en consecuencia, a la vibración.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La Real Academia de la Lengua Española define un amortiguador como un dispositivo que sirve para compensar y disminuir el efecto de choques, sacudidas o movimientos bruscos en aparatos mecánicos. Dichos amortiguadores pueden ser tanto de fricción como hidráulicos. Los amortiguadores de fricción se suelen utilizar en maquinaria ligera, como por ejemplo, en electrodomésticos ligeros como lavadoras o secadoras, para disminuir las vibraciones debidas a la masa no balanceada, como por ejemplo la ropa presente en el tambor de la lavadora o secadora, siendo para estos dispositivos, esta vibración más acusada cerca de la frecuencia de resonancia. Durante el proceso normal de lavado, la lavadora sufre un proceso de resonancia a baja frecuencia, comprendida entre 100 Y 200 rpm. Esta resonancia surge de los modos de vibración rigidos del tambor de la lavadora. Cuando el tambor gira a gran velocidad, como sucede en la zona de centrifugado se alcanzan velocidades superiores a 1000 rpm, los paneles laterales y traseros del bastidor pueden experimentar resonancia, que puedan causar ruido y transferir las vibraciones al suelo.

Tradicionalmente los amortiguadores utilizados en lavadoras han sido amortiguadores de fricción, también llamados también amortiguadores pasivos o convencionales, compuestos fundamentalmente por dos vástagos concéntricos: uno de ellos hueco, llamando vástago central, y un segundo vástago, denominado vástago móvil, dispuestos en posición coaxial uno con respecto al otro. El vástago móvil posee un elemento que fricción con el vástago central, generalmente una matriz elástica porosa, tipo esponja, o collares de fricción, empapados en un aceite lubricante, que ejerce una fuerza de amortiguación viscosa al rozar con el tubo externo del amortiguador

Sin embargo, a altas frecuencias, estos amortiguadores no resultan eficaces, siendo innecesario el uso de elementos de amortiguación. De tal manera, que para reducir el ruido y las vibraciones en las lavadoras sería necesario que el amortiguador ejerciera una fuerza de amortiguación en la zona de lavado y eliminar dicha fuerza de amortiguación en la zona de centrifugado.

La capacidad de modular la fuerza de amortiguación es posible con los amortiguadores magnetorreológicos, cuya amortiguación se puede regular por la acción de un campo magnético. Estos amortiguadores comprenden una bobina situada en el interior del vástago móvil, y emplean como elemento lubricante y de frenado, un fluido magnético o magnetorreológico, FMR (ver apartado de definiciones) confinado en el interior del amortiguador (Ref: $. ge~meci, T. Engin, , International Journal of Mechanical Science, 2010, 52, 1036) . Al aplicar corriente eléctrica, en la bobina/s se induce un campo magnético, que provoca el alineamiento de las partículas magnéticas en una estructura de tipo columna orientadas en la misma dirección del campo. Este alineamiento de las partículas modifica la fuerza viscosa del FMR, aumentando la fuerza de rozamiento entre el vástago interno y externo del amortiguador, logrando frenar el dispositivo y, por tanto, frenando o disminuyendo la vibración del dispositivo. La presencia de las partículas magnéticas en el FMR permite regular la fuerza de fricción, por la acción del campo magnético en función de las necesidades del dispositivo.

Carlons introdujo la idea de utilizar una matriz polimérica elástica, como por ejemplo, una esponja, que rodeara el cuerpo del amortiguador y que estuviera empapada en FMR, siendo este elemento el que ejerce rozamiento con el tubo externo e impide que el fluido se pierda (Patente US 6, 151, 930) . Sin embargo, este tipo de amortiguadores presentaba el problema de que esta esponja necesitaba grandes cantidades de fluido, quedando parte del mismo retenido dentro de la esponja y no viéndose afectado por la acción del campo magnético, así como la rápida degradación de la esponja bajo las condiciones normales de funcionamiento (Yan y col., Smart. Mater. Struct., 2013, 22, 025026)

Por tanto, la manera de confinar el FMR en el interior del amortiguador presenta varios problemas:

• Se suelen requerir grandes cantidades de fluido para empapar completamente la esponja, lo cual aumenta considerablemente los costes de producción del amortiguador.

• El fluido que se queda retenido en la parte interna de la matriz porosa no se ve afectado por el campo magnético generado.

• La durabilidad de la matriz porosa no es muy elevada.

• Cuando el campo magnético es cero, el amortiguador ejerce una fuerza de amortiguación elevada debido a la matriz porosa que contiene el FMR, lo cual no supone una mejora con respecto a los amortiguadores pasivos. Así, por ejemplo, en el caso de las lavadoras, esto hace que no se consiga el efecto de "no amortiguación" en la zona de centrifugado, efecto deseado en la zona de altas frecuencias.

Recientemente, Liu y col (Ref: X.H. Liu et al., Optoe/ectron. Adv. Mater, 2010, 9, 1346;

X.H. Liu y L. Jin. J. Meas. Sci, 2011, 11, 54; X.H. Liu, et al., J. Intell. Mater. System, Struct., 2010, 21, 1193) han propuesto la sustitución de la esponja por una malla metálica porosa, donde las particulas magnéticas del fluido pueden verse afectadas por la acción magnético de manera más eficaz que con la matriz elástica polimérica tradicional, ya que no se quedan retenidas en el interior de la matriz porosa tradicional.

Además, Shiga y col han realizado una evolución este tipo de amortiguadores de fricción, en los que se incorpora en un mismo aparato un amortiguador magnetorreológico y el muelle elástico para amortiguar vibraciones en lavadoras (Inventor T. Shiga, Número de patente US 2013/0081433 A1, 4 abril 2013; Titulares Kabushiki Kaisha Toshiba, Tokyo (JP) ; Toshiba Home Appliances Corporation, Tokyo (JP) ; Toshiba Consumer Electronics Holding Corporation, Tokyo (JP) ) .

OBJETO DE LA INVENCiÓN

Esta invención tiene como objetivo eliminar el ruido y las vibraciones de maquinarias ligeras o de pequeño tamaño, como por ejemplo, de las lavadoras o secadoras, mediante el empleo de amortiguadores basados en elastómeros magnéticos, cuya dureza y fuerza de amortiguación puede regularse mediante el empleo de un campo magnético, evitando el uso de amortiguadores magnetorreológicos basados en FMR que presentan los problemas comentados anteriormente, como son el mecanismo retención de fluidos, uso de grandes cantidades de FMR, la durabilidad del amortiguador debido a la baja durabilidad de la matriz porosa en la que está embebido el FMR y la imposibilidad de conseguir un dispositivo con baja fuerza de amortiguación a sin campo magnético aplicado.

Para ello, se propone la sustitución de la matriz porosa por...

1. Amortiguador de fricción que comprende al menos un elastómero magnético y una o más bobinas capaces de generar un campo magnético que provoque magnetostricción en el elastómero, incrementando la fricción entre el vástago móvil y la parte interior del vástago central del amortiguador.

2. Amortiguador de fricción según reivindicación que comprende preferentemente entre 1 y 5 bobinas, y más preferentemente entre 3 y 4 bobinas.

3. Amortiguador de fricción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que posee un GAP entre el vástago central y el cuerpo del amortiguador comprendido entre 0.1 y 3 mm, preferentemente 0.2 -2 mm, más preferentemente 0.2 -1.5mm.

4. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior caracterizado porque las bobinas tienen capacidad para generar un campo magnético comprendido O mT y 150 mT.

5. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior, caracterizado porque los elastómeros magnéticos tienen un módulo de rigidez comprendido entre 20 kPa y 1.5MPa

6. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior, caracterizado porque los elastómeros magnéticos tienen un módulo elástico comprendido entre 100 kPa y3MPa

7. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior, caracterizado porque los elastómeros magnéticos tienen un módulo viscos comprendido entre 50 kPa y 1MPa

8. Amortiguador de fricción basado en elastómeros magnéticos según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la magnetostricción del elastómero está comprendida entre 0, 001 y 20 %.

9. Amortiguador de fricción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elastómero comprende un fluido magnetorreológico bimodal, preferentemente con bimodalidad extrema.

10. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior caracterizado porque el elastómero presenta una distribución anisotrópica.

11. Amortiguador de fricción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende elementos licuadores o modificadores, para disminuir la viscosidad de la matriz polimérica.

12. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior caracterizado porque el elastómero magnético está compuesto por una matriz no magnética, con un porcentaje máximo en peso de la misma del 98 %, Y una matriz magnética, con porcentaje máximo en peso del 50%.

13.Amortiguador de fricción según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elastómero magnético tiene la siguiente composición

a. 0-10% p/p de particulas de tamaño nanométrico,

b. 2-40% p/pde particulas de tamaño micrométrico o milimétrico,

c. 0-30% p/p de modificadores o licuadores y 10 d.

3. 98% p/p de matriz elástica

14. Amortiguador de fricción según reivindicación anterior, caracterizado porque el elastómero tiene la siguiente composición:

a. 30% p/p de particulas de tamaño micrométrico,

b. 5% p/p de particulas de tamaño nanométrico, 15 c. 20% p/p de modificador de la viscosidad, y

d. 55% p/p de matriz elástica.