Biela estructural de material compuesto y procedimiento de realización de una biela de este tipo.

Biela estructural (2) de forma alargada según un eje (22), que comprende una zona central (21) hueca,

denominada cuerpo, de sección recta con respecto al eje (22) cerrada, realizada esencialmente con un materialcompuesto que comprende fibras mantenidas en el interior de una resina endurecida, entre una primera extremidad(23), que comprende primeros medios de fijación de la biela (2) a una estructura, y una segunda extremidad (24),que comprende segundos medios de fijación de la biela (2) a una estructura, caracterizada por que la citada bielaestructural comprende, al menos para una parte estructural del cuerpo (21), al menos dos carcasas (3a, 3b), (3c)realizadas de material compuesto ensambladas y en la cual cada carcasa (3a, 3b, 3c):

- se extiende según la dirección del eje (22) en una longitud al menos igual a una longitud del cuerpo (21) de labiela (2);

- presenta una sección recta con respecto al eje (22) abierta que determina una cara interior, cóncava, (31a, 31b,31c) y una cara exterior, convexa, en una cara opuesta a la cara interior cóncava;

- comprende una primera superficie de apoyo (321a, 321b, 321c), en una cara de la carcasa, a nivel de unaprimera prolongación (32a, 32b, 32c) de un borde de la carcasa;

- comprende una segunda superficie de apoyo (332a, 332b, 332c), en otra cara de la carcasa, a nivel de unasegunda prolongación (33a, 33b, 33c) de un borde de la carcasa, segunda prolongación opuesta a la primeraprolongación en una sección recta de la carcasa;

y en la cual cada carcasa (3a, 3b, 3c) es ensamblada con una carcasa contigua de tal modo que la primerasuperficie de apoyo (332a, 332b, 332) de una carcasa se encuentra en apoyo sobre la segunda superficie de apoyo(321a, 321b, 321c) de la carcasa contigua, constituyendo las dos o varias carcasas ensambladas el cuerpo de labiela (2) y creando una sección recta cerrada.

Biela estructural de material compuesto y procedimiento de realización de una biela de este tipo La presente invención pertenece al ámbito de las piezas estructurales de material compuesto.

De modo más particular, la invención concierne a una biela estructural de material compuesto y a su procedimiento de fabricación tal como las bielas estructurales utilizadas en la realización de estructuras aeronáuticas en razón de su balance favorable entre resistencia estructural y masa.

Una biela estructural es un elemento de forma alargada destinado a absorber esfuerzos de tracción y o compresión según un eje principal de la biela que corresponde a la dirección en la cual la biela está alargada.

Generalmente, una biela comprende en sus extremidades horquillas de absorción de los esfuerzos, preferentemente adaptadas para transmitir los esfuerzos según el eje de la biela y para evitar generar esfuerzos que podrían producir una flexión de la biela, flexión a la cual no está adaptada.

La figura 1 representa una biela tradicional.

La biela 1 comprende una parte central 10, el cuerpo de la biela, sensiblemente cilíndrico, de sección generalmente circular, y de eje 14.

En cada una de sus extremidades, la biela comprende una zona 11a, 11b en la cual la sección exterior de la biela disminuye progresivamente desde la parte central 10 yendo hacia la extremidad de la biela. Estas zonas terminales 11a, 11b son designadas entonces por el término estricción.

A la extremidad de cada estricción, elementos de fijación 12a, 12b, por ejemplo horquillas equipadas con rótulas, están añadidos y hechos solidarios de la biela para que la biela pueda ser ensamblada a una estructura en cuya resistencia debe participar.

La biela es calculada en función de los esfuerzos que hay que transmitir y la parte central es generalmente hueca, como está ilustrado en la parte con arranque parcial de la biela en la figura 1 así como en la sección de la citada figura, a fin de repartir el material resistente de la biela en la periferia del cuerpo de ésta de tal modo que la biela tenga una buena resistencia a los fenómenos de pandeo cuando la biela sea sometida a esfuerzos de compresión, sin penalizar la masa de la biela.

La pared 13 de la parte central de la biela 1 es realizada generalmente, al menos para aplicaciones aeronáuticas, de una aleación ligera a base de aluminio o de material compuesto que comprende fibras largas, por ejemplo fibras de vidrio, de Kevlar (R) o carbono, mantenidas en una matriz de resina orgánica endurecida, por ejemplo una resina epoxy.

Actualmente, los materiales compuestos son cada vez más utilizados en razón de un cierto número de ventajas:

-balance de masa favorable para una resistencia dada;

-posibilidad de favorecer la orientación de las fibras para tener en cuenta el sentido privilegiado de los esfuerzos que haya que transmitir;

-mejor comportamiento a la fatiga que el metal.

Se conocen diversos procedimientos para realizar tales bielas de material compuesto, ya sea por procedimientos que utilizan fibras preimpregnadas de resina antes de su puesta en forma, o bien por procedimientos que utilizan fibras secas e impregnadas después de su puesta en forma en el transcurso de una etapa de transferencia de resina de acuerdo con un procedimiento denominado RTM.

A fin de realizar la parte de material compuesto de la biela, al menos el cuerpo y las estricciones y eventualmente las horquillas terminales, es necesario disponer de un núcleo o mandril suficientemente rígido para depositar y mantener las fibras, preimpregnadas o no, con la forma deseada hasta que la resina del material compuesto se haya endurecido en general por polimerización en el transcurso de un tratamiento térmico de endurecimiento.

Cuando la resina se ha endurecido, es decir cuando el material compuesto ha alcanzado una rigidez suficiente con respecto a la resistencia buscada, se prefiere en general retirar el núcleo que ya no es utilizado y que puede representar una masa no despreciable o presentar características físico-químicas, por ejemplo desprendimientos de humos en caso de fuego, incompatibles con la utilización deseada de la biela.

Debido a su forma, no es generalmente fácil extraer el núcleo de la biela.

El núcleo debe estar concebido por tanto para permitir su extracción, ya sea por deformación o bien por destrucción.

Los núcleos extraíbles por deformación son realizados generalmente de elastómero, en una o varias partes macizas o huecas. Tales núcleos tienen la ventaja de poder ser utilizados varias veces, pero su utilización sigue siendo compleja para piezas que deben ser realizadas en cantidad relativamente grande y necesitan precauciones particulares para obtener la forma y las dimensiones de la biela en razón de su falta de rigidez natural.

Los núcleos destruidos para ser extraídos son por ejemplo núcleos que pueden ser disueltos químicamente o fundidos por elevación por encima de una temperatura de fusión del material utilizado para realizar el citado núcleo. Tales núcleos pueden ser realizados con dimensiones bien controladas, pero generalmente son pesados y frágiles de utilizar y, por concepción, solamente sirven una vez para realizar una biela.

La patente francesa publicada con el Nº 2705610, que corresponde igualmente a la patente US 5428896, describe la realización de una biela que utiliza un núcleo de uso único alrededor del cual es realizada una biela de material compuesto por enrollamiento de filamentos de una fibra preimpregnada.

Después del endurecimiento del material compuesto, el núcleo es disuelto en un disolvente.

Tal procedimiento de realización de una biela, además de los problemas intrínsecos a la realización, la manipulación y la eliminación del núcleo, viene del hecho de que las fibras deben ser depositadas con ciertos ángulos con respecto al eje de la biela en el transcurso de la operación de bobinado y que, en razón de estos ángulos que hay que respetar, no es posible orientar las fibras de la manera más óptima en teoría, es decir paralelamente al eje de la biela.

Surge por tanto un interés esencial en definir una estructura de biela y un procedimiento de realización de bielas de material compuesto que estén simplificados al tiempo que den bielas de buenas características mecánicas y de un coste disminuido.

Para esto, la invención propone una biela estructural, es decir una biela de forma alargada según un eje, apta para resistir esfuerzos de tracción compresión orientados en el sentido del eje, que comprende una zona central hueca, denominada cuerpo, de sección recta con respecto al eje cerrada, realizada esencialmente con un material compuesto que comprende fibras mantenidas en el interior de una resina endurecida. El cuerpo está situado entre una primera extremidad, que comprende primeros medios de fijación de la biela a una estructura, y una segunda extremidad, que comprende segundos medios de fijación de la biela a una estructura.

La biela estructural comprende, al menos para una parte estructural del cuerpo, al menos dos carcasas ensambladas.

Cada carcasa:

-se extiende según una dirección del eje en una longitud al menos igual a una longitud del cuerpo de la biela;

-presenta una sección recta con respecto al eje abierta que determina una cara interior, cóncava, y un cara exterior, convexa, en una cara opuesta a la cara interior cóncava;

-comprende una primera superficie de apoyo, en una cara de la carcasa, a nivel de una primera prolongación de un borde de la carcasa;

-comprende una segunda superficie de apoyo, en otra cara de la carcasa, a nivel de una segunda prolongación

de un borde de la carcasa, segunda prolongación opuesta a la primera prolongación en una sección recta de la carcasa.

Además, cada carcasa de una biela es ensamblada con una carcasa contigua de tal modo que la primera superficie de apoyo de una carcasa se encuentra en apoyo sobre la segunda superficie de apoyo de la carcasa contigua, constituyendo las dos o varias carcasas ensambladas el cuerpo de la biela y creando una sección recta cerrada que asegura, entre otras cosas, la estabilidad estructural de la biela a los esfuerzos de compresión y pandeo.

Con el fin de obtener una biela cuyas características estructurales sean relativamente homogéneas, preferentemente la primera superficie de apoyo de cada carcasa es una superficie de apoyo exterior situada en la cara exterior de la carcasa considerada y la segunda superficie de apoyo de cada carcasa es una superficie de apoyo interior situada en la cara interior de la carcasa considerada.

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1. Biela estructural (2) de forma alargada según un eje (22) , que comprende una zona central (21) hueca, denominada cuerpo, de sección recta con respecto al eje (22) cerrada, realizada esencialmente con un material compuesto que comprende fibras mantenidas en el interior de una resina endurecida, entre una primera extremidad (23) , que comprende primeros medios de fijación de la biela (2) a una estructura, y una segunda extremidad (24) , que comprende segundos medios de fijación de la biela (2) a una estructura, caracterizada por que la citada biela estructural comprende, al menos para una parte estructural del cuerpo (21) , al menos dos carcasas (3a, 3b) , (3c) realizadas de material compuesto ensambladas y en la cual cada carcasa (3a, 3b, 3c) :

-se extiende según la dirección del eje (22) en una longitud al menos igual a una longitud del cuerpo (21) de la biela (2) ;

-presenta una sección recta con respecto al eje (22) abierta que determina una cara interior, cóncava, (31a, 31b, 31c) y una cara exterior, convexa, en una cara opuesta a la cara interior cóncava;

-comprende una primera superficie de apoyo (321a, 321b, 321c) , en una cara de la carcasa, a nivel de una primera prolongación (32a, 32b, 32c) de un borde de la carcasa;

-comprende una segunda superficie de apoyo (332a, 332b, 332c) , en otra cara de la carcasa, a nivel de una

segunda prolongación (33a, 33b, 33c) de un borde de la carcasa, segunda prolongación opuesta a la primera prolongación en una sección recta de la carcasa;

y en la cual cada carcasa (3a, 3b, 3c) es ensamblada con una carcasa contigua de tal modo que la primera superficie de apoyo (332a, 332b, 332) de una carcasa se encuentra en apoyo sobre la segunda superficie de apoyo (321a, 321b, 321c) de la carcasa contigua, constituyendo las dos o varias carcasas ensambladas el cuerpo de la biela (2) y creando una sección recta cerrada.

2. Biela estructural de acuerdo con la reivindicación 1 en la cual la primera superficie de apoyo (321a, 321b, 321c) de cada horquilla (3a, 3b, 3c) es una superficie de apoyo exterior situada en la cara exterior de la carcasa considerada y en la cual la segunda superficie de apoyo (332a, 332b, 332c) de cada carcasa es una superficie de apoyo interior situada en la cara interior de la carcasa considerada.

3. Biela estructural de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en la cual al menos una carcasa (3a, 3b) comprende una o unas horquillas (231a, 231b, 232a, 232b, 241a, 241b, 242a, 242b) de material compuesto solidarias de la citada carcasa.

4. Biela estructural de acuerdo con la reivindicación 3 en la cual al menos una horquilla es obtenida por ensamblaje de al menos dos horquillas (231a, 232b) , (232a, 231b) , (241a, 242b) , (242a, 241b) solidarias de carcasas diferentes.

5. Biela estructural de acuerdo con una de las reivindicaciones 2, 3 o 4 en la cual todas las carcasas son, salvo detalles de realización, idénticas.

6. Biela estructural de acuerdo con la reivindicación 5 que comprende carcasas sensiblemente idénticas que comprenden cada una dos horquillas en cada extremidad, cooperando cada horquilla de una carcasa con una horquilla de la otra carcasa para formar una horquilla de la biela.

7. Biela estructural de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en la cual la resina del material compuesto es una resina endurecida por polimerización denominada termoendurecible.

8. Biela estructural de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 en la cual la resina del material compuesto es una resina endurecida por enfriamiento denominada termoplástica.

9. Biela estructural de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en la cual las carcasas son mantenidas por pegado.

10. Biela estructural de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7 en la cual las carcasas son mantenidas por una polimerización simultánea de la resina.

11. Biela estructural de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en la cual las carcasas son mantenidas por elementos mecánicos de fijación.

12. Procedimiento de realización de una biela estructural (2) de forma alargada según un eje (22) , que comprende una zona central (21) hueca, denominada cuerpo, de sección recta con respecto al eje (22) cerrada, realizada esencialmente con un material compuesto que comprende fibras mantenidas en el interior de una resina endurecida, entre una primera extremidad (23) , que comprende primeros medios de fijación de la biela (2) a una estructura, y una segunda extremidad (24) , que comprende segundos medios de fijación de la biela (2) a una estructura, caracterizado por que el ciado procedimiento comprende una etapa de realización de al menos dos carcasas (3a, 3b) , (3c) de material compuesto:

-que tienen una extensión según una dirección del eje (22) en una longitud al menos igual a una longitud del cuerpo (21) de la biela (2) ;

-que presentan una sección recta con respecto al eje (22) abierta que determina una cara interior, cóncava, (31a, 31b, 31c) y un cara exterior, convexa, en una cara opuesta a la cara interior cóncava;

-que comprenden una primera superficie de apoyo (321a, 321b, 321c) , en una cara de la carcasa, a nivel de una primera prolongación (32a, 32b, 32c) de un borde de la carcasa;

-que comprenden una segunda superficie de apoyo (332a, 332b, 332c) , en otra cara de la carcasa, a nivel de una segunda prolongación (33a, 33b, 33c) de un borde de la carcasa, segunda prolongación opuesta a la primera prolongación en una sección recta de la carcasa;

y por que el citado procedimiento comprende una etapa posterior de ensamblaje de al menos dos carcasas realizadas previamente, siendo ensamblada una carcasa con una carcasa contigua de tal modo que su primera superficie de apoyo (332a, 332b, 332) se encuentre en apoyo sobre la segunda superficie de apoyo (321a, 321b, 321c) de la carcasa contigua, constituyendo las dos o varias carcasas ensambladas el cuerpo de la biela (2) y creando una sección recta cerrada.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12 en el cual las carcasas son realizadas por polimerización de fibras preimpregnadas de una resina endurecible por polimerización depositadas sobre una forma correspondiente a la forma de la carcasa que hay que realizar.

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12 en el cual las carcasas son realizadas por polimerización de una resina endurecible por polimerización después de haber sido transferida a una preforma en fibras secas depositadas en el interior de un molde.

15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12 en el cual las carcasas son realizadas por conformado en el transcurso de una etapa de elevación de temperatura de piezas en bruto realizadas de un material compuesto que tiene propiedades termoplásticas.

16. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13 en el cual las carcasas son ensambladas por un procedimiento que comprende una fase de polimerización simultánea de las carcasas que tienen superficies de apoyo en contacto.

17. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 15 en el cual las carcasas son ensambladas por un procedimiento de soldadura termoplástica.

18. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 12 a 17 en el cual las carcasas son ensambladas por pegado.

19. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 12 a 18 en el cual las carcasas son ensambladas por la colocación de fijaciones mecánicas.