Sistema, adaptado en particular para los motores de alta potencia,

que comprende por lo menos un rotor (1a; 1b) y unos medios (4a, 4b; 5a, 5b) que comprenden unos elementos activos (7, 8) apropiados para poner en rotación el/los rotor(es) (1a; 1b) por su deformación sincronizada, caracterizado porque el material del rotor se selecciona de entre:

- una aleación Al-Fe-V-Si, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 15% en peso de V, entre 0,1 y 5% en peso de Si, siendo el resto Al; y/o

- una aleación Al-Fe-Ce, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,1 y 9% en peso de Ce, siendo el resto Al; y/o

- una aleación Al-Fe-Mo, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 9% en peso de Mo, siendo el resto Al; y/o

- una aleación de Al-Yb/Gd y de tierras raras, con entre 1,0 y 20% en peso de Yb o de Gd, y entre 0,1 y 1,0% en peso de tierras raras; y/o

- una aleación Al-Fe-Cr-Ti, con entre 0,5 y 10% en átomos de Fe, entre 0,4 y 8% en átomos de Cr, entre 0,3 y 5% de átomos de Ti, siendo el resto Al; y/o

- una aleación Al-Fe-V, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,1 y 5% en peso de V, siendo el resto Al, comprendiendo la aleación unos granos afinados y homogeneizados y comprendiendo una cantidad inferior a 0,3% en peso con respecto al peso total de la aleación de Mg, Zr, Ce y/o Sr (inoculación) y/o una cantidad inferior a 0,05% en peso de Ni, siendo la aleación preferentemente la aleación Al-12Fe-3V

Perfeccionamientos en los rotores de motores de alta potencia.

Campo técnico general

La presente invención se refiere a la aplicación de materiales en unos motores de alta potencia o de vibraciones.

Más precisamente, la invención se refiere a la aplicación de materiales para dos cuerpos en unos motores de alta potencia o de vibraciones, estando el primer cuerpo (patín) puesto en contacto en rozamiento en seco con el segundo cuerpo (rotor), estando unos materiales de fricción en la interfaz entre estos dos cuerpos.

Estado de la técnica

Algunos motores de alta potencia utilizan en su funcionamiento las propiedades de elongación de materiales activos. Estos materiales pueden por ejemplo ser unos materiales del tipo piezoeléctrico, del tipo magnetoestrictivo, electroestrictivo, etc.

Dichos motores son conocidos en particular a partir del documento FR 2 782 420.

Las figuras 1 y 2 representan esquemáticamente un ejemplo conocido de un motor 2 de alta potencia que comprende unos bloques 4a, 4b, 5a, 5b de forma sustancialmente circular, y dos rotores 1a y 1b, estando uno interpuesto entre los bloques 4a y 4b, y el otro entre los bloques 5a y 5b.

Los rotores 1a y 1b están montados sobre un árbol común 3.

Los bloques 4a, 4b, 5a, 5b comprenden unos lóbulos 6 apropiados para ser puestos en contacto con los rotores 1a y 1b.

Los bloques 4a, 4b, 5a, 5b comprenden unos elementos en materiales activos 7 interpuestos entre los lóbulos 6, y que sufren unas elongaciones en el plano de los bloques, con el fin de poner en movimiento los lóbulos 6.

Los bloques más internos 4a y 5a están unidos entre sí, por medio de los lóbulos 6, por los elementos 8 en materiales activos. Estos elementos son apropiados para deformarse y desplazar los lóbulos 6 según el sentido de las flechas visibles en la figura 2.

Los bloques más externos 4b y 5b están unidos al cárter del motor 2, por medio de los lóbulos 6, por unos elementos 9 que forman resortes.

Las elongaciones sincronizadas de los elementos 7 y 8 permiten poner en rotación los rotores 1a y 1b, en particular por la presencia de rozamiento entre los lóbulos 6 y los rotores 1a y 1b.

La figura 3 muestra esquemáticamente que los lóbulos 6 comprenden una parte principal 12, unida a un patín de contacto 11 por unos elementos intermedios 10 que presentan unas propiedades elásticas.

El hecho de que la parte principal no esté directamente en contacto con los rotores 1a y 1b, y que una parte intermedia 10 presente unas propiedades de deformación elástica permite aumentar el rendimiento del motor de vibraciones. En efecto el conjunto 12, 10, 11 forma un conjunto doble masa-resorte representado en la figura 4.

Si los patines de contacto 11 están dimensionados correctamente, el rendimiento del motor de vibraciones aumenta en gran manera. En la continuación de la presente descripción, se denominará asimismo masa centrífuga a los patines de contacto, con referencia al hecho de que los patines representan unas masas centrífugas en el conjunto doble masa-resorte de la figura 4.

Así, la masa centrífuga, que tiene una masa limitada y fija para obtener un buen rendimiento de utilización del motor, presenta en su superficie una capa rozante, en contacto con un rotor. El espesor de la masa centrífuga es del orden de 2 mm. Como variante, la masa centrífuga puede rozar directamente sin la presencia de una capa rozante.

Generalmente, los elementos intermedios 10 presentan una conductividad térmica ? baja (?<0,5 W/mK).

Los motores de vibraciones representan un atractivo para los accionadores intermitentes, como por ejemplo los sistemas de trenes de aterrizaje, de puertas del compartimento de carga, de timones y de flaps. Se utilizan entonces en sustitución de los circuitos hidráulicos o neumáticos, que exigen unos líquidos que tienen unos puntos de congelación inferiores a -60ºC. Ahora bien los líquidos presentan riesgos de inflamación, deben ser vaciados y desechados regularmente. Los motores de vibraciones se utilizan asimismo en sustitución de los motores eléctricos que utilizan unos materiales ferromagnéticos férreos que comprenden unos reductores de velocidad de engranajes.

Los sistemas que comprenden unos accionadores intermitentes necesitan un alto par a baja velocidad.

La solicitud FR 2 819 650 propone unos pares de fricción en unos accionadores lineales cuya estructura y aplicación son muy diferentes de las de los motores de alta potencia. Sin embargo, los pares de fricción de la solicitud FR 2 819 650 tienen unas propiedades estables en función de las condiciones de funcionamiento. Dichos pares de fricción son solicitados sin deslizamiento por aplastamiento elástico de las microasperezas. En efecto, se utilizan en unos sistemas de bloqueo cuyo objetivo es evitar el deslizamiento del microcontacto. No poseen propiedades de disipación calorífica importantes, puesto que no tienen que disipar las cantidades de calor importantes inducidas por unas fases de deslizamiento.

Por otra parte, la duración de funcionamiento acumulada de un avión civil es del orden de 48.000 horas de vuelo. Para los materiales de fricción de la masa centrífuga y del rotor de un motor de alta potencia, esto representa unas solicitaciones con vida acumulada de 2.000 horas. Son precisos por tanto unos porcentajes de desgaste k_v inferiores a 3x10^-8 mm³/Nm. Se recuerda que el porcentaje de desgaste se utiliza internacionalmente en Tribología para calificar el comportamiento al desgaste. Está definido por el volumen de desgaste dividido entre la carga normal y la distancia de deslizamiento relacionada con el volumen de desgaste. Estos porcentajes de desgaste deben ser independientes de la temperatura y de las condiciones de utilización, así como independientes de la velocidad de deslizamiento. De la misma manera, para unas aplicaciones en unos vehículos industriales, incluso si las horas de funcionamiento están generalmente limitadas a 20.000 horas, la vida acumulada se sitúa asimismo alrededor de 2.000 horas.

Se habrá comprendido que las especificaciones técnicas de un motor de alta potencia menciona por tanto unos bajos porcentajes de desgaste y altos coeficientes de rozamiento. Además, los materiales de fricción deben presentar unas propiedades caloríficas, y en particular de difusividad térmica ? [en mm²/s] importantes para los materiales sobre todo del rotor.

En efecto, la temperatura de Curie limita el efecto activo, en particular piezoeléctrico. Así, si la temperatura se eleva de forma demasiado importante en el motor de alta potencia, y su funcionamiento se altera. La obligación de no alcanzar la temperatura de Curie limita la temperatura de calentamiento de la masa centrífuga aproximadamente a 150ºC y la del rotor a 200ºC. El rotor puede tolerar una temperatura más importante puesto que no está unido a unos elementos sensibles a la temperatura, en particular unos materiales piezoeléctricos, y puesto que está unido a un eje que constituye un medio para disipar el calor más rápidamente.

La subida de temperatura por encima de las temperaturas de Curie de los materiales piezoeléctricos no puede ser despreciada en una aplicación de largo accionamiento, que genera hasta varios centenares de Kjoules a disipar. Independientemente de la concepción y del modo de funcionamiento, los materiales elegidos para los patines/masas centrífugas y para el rotor deben ser capaces de almacenar el máximo del calor debido a las pérdidas de fricción, puesto que un enfriado de los elementos de materiales activos 7 por ventilación o aireación no es posible.

El documento FR 2 844 933 propone por una parte unos materiales de fricción y capas de fricción que responden al mismo tiempo a varias obligaciones. Los materiales de las capas de fricción presentan:

- buenas propiedades de rozamiento y bajos porcentajes de desgaste;

- buenas propiedades caloríficas;

- una buena repartición del flujo de calor;

- buenas propiedades mecánicas, en particular una buena resistencia a la fatiga; y

- buenas propiedades anticorrosión.

El documento FR 2 844 933 propone por otra parte unos materiales para las masas centrífugas/patines así como para el rotor/disco.

Para las masas centrífugas/patines, los materiales propuestos por el documento FR 2 844 933 tienen una capacidad másica térmica superior...

1. Sistema, adaptado en particular para los motores de alta potencia, que comprende por lo menos un rotor (1a; 1b) y unos medios (4a, 4b; 5a, 5b) que comprenden unos elementos activos (7, 8) apropiados para poner en rotación el/los rotor(es) (1a; 1b) por su deformación sincronizada, caracterizado porque el material del rotor se selecciona de entre:

- una aleación Al-Fe-V-Si, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 15% en peso de V, entre 0,1 y 5% en peso de Si, siendo el resto Al; y/o

- una aleación Al-Fe-Ce, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,1 y 9% en peso de Ce, siendo el resto Al; y/o

- una aleación Al-Fe-Mo, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 9% en peso de Mo, siendo el resto Al; y/o

- una aleación de Al-Yb/Gd y de tierras raras, con entre 1,0 y 20% en peso de Yb o de Gd, y entre 0,1 y 1,0% en peso de tierras raras; y/o

- una aleación Al-Fe-Cr-Ti, con entre 0,5 y 10% en átomos de Fe, entre 0,4 y 8% en átomos de Cr, entre 0,3 y 5% de átomos de Ti, siendo el resto Al; y/o

- una aleación Al-Fe-V, con entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,1 y 5% en peso de V, siendo el resto Al, comprendiendo la aleación unos granos afinados y homogeneizados y comprendiendo una cantidad inferior a 0,3% en peso con respecto al peso total de la aleación de Mg, Zr, Ce y/o Sr (inoculación) y/o una cantidad inferior a 0,05% en peso de Ni, siendo la aleación preferentemente la aleación Al-12Fe-3V.

2. Sistema según la reivindicación anterior, en el que la aleación es la aleación AA 8009, a saber Al-8,5Fe-1,3V-1,7Si, y/o la aleación Al-8,3Fe-4,0Ce y/o Al7,0Fe-6,0Ce y/o la aleación Al-8Fe-2Mo y/o la aleación Al14Yb4Y y/o la aleación Al84,5Fe7Cr6,3Ti2,5.

3. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la aleación presenta unos granos afinados y homogeneizados y comprende una cantidad inferior a 0,3% en peso con respecto al peso total de la aleación de Mg, Zr, Ce y/o Sr (inoculación) y/o una cantidad inferior a 0,05% en peso de Ni.

4. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el material de cada rotor (1a; 1b) es tal que presenta una capacidad calorífica superior a 2 J/cm³/K.

5. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos medios de puesta en rotación del/de los rotor(es) comprenden por lo menos un lóbulo (6) que comprende una masa centrífuga (11), siendo el material de cada masa centrífuga (11) tal que presenta una capacidad térmica másica Cp^22c superior a 0,35 J/g/K.

6. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el material de cada masa centrífuga (11) comprende:

- (Ti,Mo)(C,N)+ 8-20% de ligante Ni/Mo; y/o

- WC-6Ni; y/o

- alúmina reforzada con circona; y/o

- el AIN; y/o

- carburo de silicio infiltrado en el silicio SiSiC, con 8 a 20% en peso de silicio; y/o

- MgO-ZrO₂; y/o

- alúmina reforzada con circona; y/o

- nitruro de aluminio por sinterización en caliente; y/o

- nitruro de aluminio por sinterizado a presión, y/o

- una fase magneli en forma de Ti_nO_2n-1, en la que 4=qn=q10 siendo n un entero, o en forma de mezcla del tipo 40%Ti₄O₇/60%Ti₅O₉,

- unas fundiciones grises globulares y/o unas fundiciones grises lamelares y/o con un temple bainítico y/o aleadas con Cr, Mo, Al, V, Ti; y/o

- unos aceros del tipo Z6CND16-05-01; y/o

- unos aceros del tipo X5CrNiCu15-5; y/o

- unas aleaciones AlSi+SiC/Al₂O₃; y/o

- unas aleaciones AlSi+ unos dispersoides Al₄C₃/Al₂O₃/TiB₂; y/o

- unas aleaciones Al-Fe-V; y/o

- aluminios de la serie 6xxx en T6, y superiores, o de la serie 7xxx; y/o

- carburo de silicio infiltrado en el silicio SiSiC; y/o

- unas aleaciones de titanio del tipo UNS R5xxxx.

7. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el material de cada masa centrífuga (11) y de cada rotor (1a; 1b) está revestido con por lo menos una capa dura en proyección térmica por un material que comprende:

- un óxido de una aleación Ti y de Cr, estando el óxido en forma de una solución sólida estabilizada y/o en forma de una solución sólida no estequiométrica; y/o

- WC-17%Co; y/o

- (Ti,Mo)(C,N) o (Ti,W)(C,N)+ un ligante Ni/Mo; y/o

- >75 Cr₃C₂/<25NiCr; y/o

- 4-6Al₂O₃/6-4 TiO₂

8. Sistema según la reivindicación anterior, en el que la solución sólida estabilizada del óxido de la aleación de Ti y de Cr se presenta en forma Ti_n-2Cr₂O_2n-1 siendo 6=qn=q9 y/o en el que la forma no estequiométrica del óxido de la aleación de Ti y de Cr se presenta en forma de una solución sólida de TiO₂ y Cr₂O₃, preferentemente en una forma seleccionada de entre: Cr₂Ti₂O₇, Ti₆Cr₂O₁₅, Ti₇Cr₂O₁₇, Cr₂Ti₈O₁, Cr₂Ti₅O₁₃, Cr₂Ti₄O₁₁, Cr_0,12Ti_0,78O_1,74, Cr_0,222Ti_0,778O_1,889, Cr_0,285Ti_0,714O_1,857 ó Cr_0,46Ti_0,54O_1,77

9. Sistema según una de las reivindicaciones 7 u 8, en el que las capas duras depositadas por proyección térmica presentan unos valores de rugosidades aritméticas finales inferiores a 0,04 µm, siendo el espesor de las capas mecanizadas superior a 50 µm y/o en el que los valores de las rugosidades R_pK y R_vK definidos en la norma DIN EN ISO 13565-2:1998 son inferiores a 0,030 µm y 0,070 µm respectivamente.

10. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el rotor (1a, 1b) y un árbol (3) de rotación del rotor son monobloque y están compuestos por el mismo material.

11. Sistema según la reivindicación anterior, en el que un cárter (2) de protección del motor está unido al árbol de rotación (3) y está compuesto por el mismo material que el rotor.