BR112017004420B1 - Processo para fabricação de um eixo de transmissão e eixo de transmissão - Google Patents
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Abstract
PROCESSO PARA FABRICAÇÃO DE UM EIXO DE TRANSMISSÃO, EIXO DE TRANSMISSÃO E PEÇA DE ACOPLAMENTO OCA. A presente invenção tem por objeto um processo de fabrico de um eixo de transmissão (1) comportando um corpo (2) em material compósito e uma peça de acoplamento (3) numa das extremidades do corpo (2), em que a referida peça de acoplamento é oca e comporta, na sua superfície interior, estrias (4), em que o fundo (6) das estrias (4) delimita o circuito de um círculo com o diâmetro D2 e a cabeça (5) das estrias (4) delimita o circuito do círculo do diâmetro D1, caracterizado pelo fato de o referido processo compreender, sucessivamente, as etapas de: - por à disposição um mandril (10) comportando uma parte extensível (12) e uma parte não extensível (11); - produzir o corpo (2) por enrolamento filamentar de fibras pré-impregnadas à volta do mandril (10); - posicionar a peça de acoplamento (3) à volta do corpo (2) ao nível da parte extensível (12) do mandril; - expandir a parte extensível (12) do mandril (10) para preencher o fundo (6) das estrias (4) com as fibras pré-impregnadas do corpo (2); -cozer o corpo (2) munido da peça de acoplamento (3).
Description
[0001] A presente invenção tem por objeto um eixo de transmissão e o processo de fabrico estabelecido para produzir este eixo de transmissão.
[0002] A presente invenção também tem por objeto a peça de acoplamento destinada a ser posicionada numa extremidade do corpo do eixo de transmissão.
[0003] Um eixo de transmissão é constituído por um corpo e peças de acoplamento dispostas nas extremidades do corpo e que servem de ligação, por exemplo, com uma caixa de velocidades ou um cardã. Pode-se citar, como exemplo de aplicação, no domínio aeronáutico, os eixos de transmissão utilizados para acionar o estabilizador (flap) das asas do avião. Pode-se ainda citar, como exemplo de aplicação no sector automóvel, o eixo de transmissão entre a caixa de velocidades e o eixo traseiro do veículo.
[0004] Sabe-se como se produz o corpo do eixo em material compósito e se acopla a esse corpo peças de acoplamento em material metálico. Assim, os documentos das patentes norte-americanas 7 874 925 e 2006/0258469 descrevem um processo de fabrico de um eixo com um tubo de material compósito e acoplamentos metálicos prensados axialmente nas extremidades do tubo polimerizado. Os acoplamentos estão munidos de dentes configurados para escavar sulcos na superfície exterior do tubo e assim formar uma ligação mecânica entre o tubo e os acoplamentos. A formação destes sulcos gera detritos que, no caso do documento da patente norte-americana 7 874 925, são recolhidos nas depressões torneadas ao lado dos dentes nas peças de acoplamento.
[0005] A principal desvantagem do processo descrito nestes documentos é que é necessário degradar o tubo para assegurar a fixação da peça de acoplamento no corpo do eixo. Isto pode dar origem a fissuras que, em utilização, vão propagar- se. Além disso, o contato entre a peça de acoplamento e o tubo não se pode estabelecer perfeitamente a par com a presença de resíduos e de depressões destinadas a recolher os resíduos. O conjunto de tubo - peças de acoplamento forma assim uma estrutura com interstícios e porosidades nefastas para uma boa resistência mecânica durante a vida da peça, sendo esta última mais sensível às condições ambientais (humidade, variação de temperatura, agentes externos de degradação tal como óleos e líquidos de descongelação) e menos resistente em fadiga quando há uma inversão do sentido da rotação. Além disso, o tubo e os acoplamentos formam um conjunto mecânico com zonas de recuperação de esforços diferentes, ligadas ao fato de as propriedades mecânicas do tubo deformado e dos resíduos não serem idênticas.
[0006] Conhece-se, do documento da patente alemã 10 2011 053480 um processo de fabrico de uma biela ou de um corpo oco não cozido, ou seja, ainda deformável, que é encolhido radialmente e depois deslocado para o interior de um terminal. Em seguida, coloca-se um elemento insuflável no interior de todo o corpo para que a superfície exterior se conforme às suas extremidades, à da superfície interior do terminal. Por outras palavras, insufla-se um corpo mole, do tipo meia, por aplicação de uma pressão no interior do corpo. A dificuldade deste processo está em controlar, com precisão, o grau de expansão e, ao mesmo tempo, o diâmetro interno do corpo. Sem um controlo preciso, o diâmetro interno é susceptível de variar ao longo do eixo do corpo e de um ensaio para outro. Ora, no domínio aeronáutico, como noutros domínios, a tolerância é baixa. É muito importante poder garantir as dimensões até às décimas de milímetro. Além disso, como a expansão se efetua em todo o eixo, é necessário efetuar esta expansão num molde o que aumenta os custos dos equipamentos.
[0007] Do documento da patente alemã DE 34 08 650, conhece-se um processo de realização de um eixo por enrolamento filamentar e colocação de um tubo em tecido sobre um núcleo de espuma. Mantém-se o núcleo no eixo após o fabrico. Isso significa que se perde as ferramentas em cada realização e que se perde em suavidade, o que para a aeronáutica não é aceitável. Este processo apresenta igualmente a desvantagem de necessitar de reforços e colas incompatíveis com a obtenção de uma estrutura homogénea através de todo o corpo, sendo recomendado uma estrutura homogénea para evitar problemas de dilatação diferencial no seio do corpo do eixo.
[0008] A presente invenção tem por objeto um processo de fabrico de eixos de transmissão em que a integridade do corpo se mantém aquando da fixação dos acoplamentos nas extremidades do corpo do eixo.
[0009] A presente invenção tem também por objeto um processo que permite produzir um eixo de transmissão com dimensões geométricas precisas e controladas ao longo de todo o processo.
[0010] A presente invenção tem também por objeto a produção de um eixo de transmissão desprovido de interstícios e de porosidade entre o acoplamento e o corpo do eixo de transmissão e apresentando uma estrutura homogénea ao longo de todo o corpo.
[0011] A presente invenção tem por objeto um processo de fabrico de um eixo de transmissão comportando um corpo de material compósito e uma peça de acoplamento numa das extremidades do corpo, em que a referida peça de acoplamento é oca e comporta, na sua superfície interior, estrias, em que o fundo das estrias delimita o circuito de um círculo com o diâmetro D2 e a cabeça das estrias delimita o circuito do círculo do diâmetro D1, caracterizado pelo fato de o referido processo compreender, sucessivamente, as etapas de: a. por à disposição um mandril comportando uma parte extensível e uma parte não extensível; b. produzir o corpo por enrolamento filamentar de fibras pré- impregnadas à volta de um mandril; c. posicionar a peça de acoplamento à volta do corpo ao nível da parte extensível do mandril; d. expandir a parte extensível do mandril para preencher o fundo das estrias com as fibras pré-impregnadas do corpo; e. cozer o corpo munido ad peça de acoplamento.
[0012] De acordo com as modalidades particulares da presente invenção, o processo inclui pelo menos uma ou uma combinação apropriada das características seguintes: a. a peça de acoplamento está posicionada à volta do corpo sem ter sido submetida a um cozimento prévio; b. o corpo é produzido por enrolamento filamentar com um diâmetro externo ligeiramente inferior ao diâmetro D1. c. as estrias estendem-se a todo o comprimento da peça de acoplamento; d. a peça de acoplamento comporta, na superfície interior, uma ranhura que se estende numa direção perpendicular às estrias, a expansão da parte expansível do mandril permite igualmente preencher a ranhura com fibras pré-impregnadas do corpo; - o eixo de transmissão comporta uma peça de acoplamento em cada uma das suas extremidades e o mandril comporta a parte não expansível enquadrada em cada extremidade da parte expansível.
[0013] A presente invenção tem também por objeto um eixo de transmissão compreendendo um corpo em material compósito e uma peça de acoplamento oca posicionada à volta do corpo, numa das suas extremidades, comportando a referida peça de acoplamento, na superfície interna, estrias, o referido corpo compósito preenchendo a totalidade das ranhuras de maneira a haver um contato, em todos os pontos entre o corpo e as estrias, não deixando de subsistir interstícios.
[0014] De acordo com modalidades particulares da presente invenção, o eixo de transmissão inclui pelo menos uma ou uma combinação apropriada das características seguintes: a. as estrias estendem-se a todo o comprimento da peça de acoplamento; b. a peça de acoplamento comporta, na superfície interior, uma ranhura que se estende numa direção perpendicular às estrias; c. a ou as estrias estendem-se em todo o perímetro da peça de acoplamento; d. comporta uma peça de acoplamento em cada uma das extremidades do corpo;
[0015] A presente invenção tem também por objeto uma peça de acoplamento oca comportando, na superfície interna, estrias que se estendem ao longo da peça de acoplamento.
[0016] De acordo com modalidades particulares da presente invenção, a peça de acoplamento inclui pelo menos uma ou uma combinação apropriada das características seguintes: a. comporta, na superfície interna, uma ou várias ranhuras que se estendem numa direção perpendicular às estrias; b. o fundo das estrias é plano; c. as cabeças das estrias estão truncadas.
[0017] Finalmente, a presente invenção tem por objeto um eixo de transmissão que comporta a peça de acoplamento tal como descrita antes.
[0018] A figura 1 representa uma vista de perfil de um eixo de transmissão, de acordo com a presente invenção.
[0019] A figura 2 representa, respetivamente, uma vista de perfil e uma vista em corte de acordo com o eixo A-A do acoplamento, de acordo com a presente invenção.
[0020] A figura 3 representa, respetivamente, uma vista lateral do acoplamento, de acordo com a presente invenção, uma amplificação da zona B com raios à cabeça (R1) e fundo (R2) de estrias indicados, numa vista em corte, com a geometria das estrias.
[0021] A figura 4 representa uma vista em corte axial dos três mandris unidos de acordo com a presente invenção. O mandril do meio não é expansível e os mandris dispostos de um lado e do outro são expansíveis.
[0022] A figura 5 representa uma vista em corte axial do tubo de acordo com a presente invenção, obtido por enrolamento filamentar à volta dos três mandris.
[0023] A figura 6 representa, de acordo com a presente invenção, uma vista em corte axial das peças de acoplamento que se deslocam sobre o tubo.
[0024] A figura 7 representa uma vista ampliada de uma das peças de acoplamento, de acordo com a figura 6, unida à volta do tubo.
[0025] A figura 8 ilustra, com a ajuda de uma vista parcial, o posicionamento do tubo no seio da peça de acoplamento, antes da expansão do mandril expansível.
[0026] A figura 9 ilustra, com a ajuda de duas vistas parciais, o posicionamento do tubo no seio da peça de acoplamento, antes e depois da expansão do mandril expansível.
[0027] A figura 10 representa a união, de acordo com a figura 6, após a retirada dos mandris.Legenda 1- Eixo de transmissão 2- Tubo, também designado por corpo do eixo de transmissão 3- Peça de acoplamento, também designada por acoplamento 4- Estria, também designada por ranhura longitudinal, na parede interior, também designada por superfície interior da peça de acoplamento. 5- Dente, também designado por cabeça da estria. 6- Fundo da estria, também designado por ranhura 7- Ranhura transversal 8- Grampo 9- Orifício de fixação 10- Mandril 11- Parte não expansível do mandril 12- Parte expansível do mandril
[0028] A presente invenção tem por objeto um processo de fabrico de um eixo de transmissão e o eixo de transmissão obtido por este processo. Tem igualmente por objeto a peça de acoplamento posicionada numa extremidade do eixo, tendo esta peça uma forma particular que permite assegurar, em utilização, uma recuperação ótima do esforço e que permite assegurar um contato perfeito entre a peça de acoplamento e o corpo do eixo.
[0029] O eixo de transmissão 1, tal como representado na figura 1, comporta um tubo 2, em material compósito e uma peça de acoplamento 3 posicionada em cada extremidade do tubo 2. A peça de acoplamento 3, representada nas figuras 2 e 3, é oca e destina-se a ser montada à volta do tubo 2. Comporta, ma parede interior de forma cilíndrica, uma série de ranhuras longitudinais 4, também designadas por estrias, estendendo-se paralelamente à direção axial da peça, ao longo de todo o comprimento da parede interna. Mais precisamente, a parede interna canelada comporta uma sucessão de dentes 5, separados por um fundo plano 6. Os dentes apresentam, na cabeça, uma abertura máxima de 55 °, como se mostra na figura 3. Os dentes estão preferencialmente arredondados para evitar danificar a fibra do tubo compósito durante o fabrico do eixo. Assim, o topo do dente pode apresentar-se sob a forma de uma ponta truncada. O topo do dente 5, também designado por cabeça de estria, delimita o circuito de um círculo de diâmetro D1 (indicado por R1 para o raio 1) e o fundo liso 6, também designado por fundo da estria, delimita o circuito de um círculo de diâmetro D2 (indicado por R2 para o raio 2) como ilustrado na figura 3.
[0030] Além disso, a parede interior do acoplamento pode comportar uma ou várias ranhuras transversais 7, estendendo-se por todo o perímetro do cilindro numa direção perpendicular às ranhuras longitudinais 4 e interrompendo estas últimas.
[0031] A parede exterior do acoplamento está munida, numa extremidade, de grampos 8 com orifícios 9 para o travamento, seguido de uma parte cilíndrica com uma espessura de parede primeiro constante antes de se afinar em direção à outra extremidade da peça de acoplamento (ver figuras 2 e 3).
[0032] De acordo com a presente invenção, o eixo de transmissão realiza-se da seguinte forma.
[0033] Numa primeira etapa, o tubo 2, também designado por corpo do eixo, faz-se por enrolamento filamentar de uma ou várias camadas de fibras pré- impregnadas num mandril metálico 10 com um único ocupante munido de três partes e ilustrado na figura 4. Este mandril é rígido, com um módulo de Young superior a 60 GPa, para controlar xom precisão a expansão do mandril na terceira etapa e assim obter um corpo com um diâmetro interno perfeitamente constante ao longo do seu eixo. Uma primeira parte 11 do mandril é lisa e não expansível e está enquadrada, em cada extremidade, por uma parte lisa expansível 12. As três partes têm o mesmo diâmetro correspondente ao diâmetro interno do tubo a produzir. Após o enrolamento filamentar das camadas de fibras, obtém-se o tubo 2, tal como representado na figura 5. O tubo tem um diâmetro exterior ligeiramente inferior ao do diâmetro D1 na cabeça das estrias, de maneira a poder, na segunda etapa, deslizar os acoplamentos nos tubos sem os deteriorar. Neste estádio, o tubo não sofreu o ciclo de cozimento.
[0034] A segunda etapa consiste em colocar os acoplamentos 3 à volta do tubo 2, ao nível das partes expansíveis 12 do mandril (ver figuras 6 e 7). O conjunto da peça de acoplamento 3 está posicionado à volta do tubo 2 nas extremidades ou na proximidade das extremidades, um excedente do material compósito 2 podendo, com efeito, ser mantido atrás da peça de acoplamento 3, como se mostra nas figuras 6 e 7. Nesta etapa, o tubo 2, em material compósito, está posicionado no interior do acoplamento 3, como esquematizado na figura 8. O tubo 2 toca a cabeça das estrias mas não entra em contato com os fundos e os flancos das estrias.
[0035] A terceira etapa consiste na abertura e na expansão da parte expansível 12 dos mandris. A abertura dos mandris vai forçar a fibra a alojar-se nas ranhuras longitudinais 4 até ao fundo 6 da estria (ver figura 9). Do mesmo modo, a fibra vai-se alojar nas ranhuras transversais se a peça de acoplamento estiver em funcionamento, o que vai permitir bloquear axialmente o acoplamento.
[0036] Numa quarta etapa, coze-se o tubo 2 para polimerizar a fibra pré- impregnada de resina e finalizar o engaste dos acoplamentos.
[0037] A quinta etapa consiste em retirar o mandril (ver figura 10).
[0038] Finalmente, a sexta etapa consiste em cortar o excedente do tubo compósito 2 disposto atrás dos grampos da peça de acoplamento, se houver um excedente, para se obter o eixo final da figura 1.
[0039] O eixo de manutenção assim obtido comporta um material compósito que preenche toda a estria do acoplamento.
[0040] De acordo com a presente invenção e a título de exemplo, o corpo do eixo de transmissão produz-se com fibras de carbono e o acoplamento é metálico, sintético ou compósito.
[0041] Finalmente, pode-se precisar que o processo foi descrito para um eixo munido, em cada uma das extremidades, de uma peça de acoplamento. A presente invenção cobre igualmente um processo de fabrico de um eixo munido apenas, numa das extremidades, de uma peça de acoplamento, podendo a outra extremidade ser, por exemplo, um grampo do tipo garfo.
[0042] O eixo apresente características que são próprias do enrolamento filamentar com um nível de tensão da fibra que lhe confere propriedades mecânicas ótimas , realizando um engaste por expansão para se obter um contato perfeito entre a peça de acoplamento e o corpo. Graças ao contato perfeito entre o tubo e os acoplamentos, não é necessário nenhum adesivo para melhorar a adesão. Do mesmo modo, contrariamente aos eixo da técnica anterior, não é necessário nenhum reforço no interior do tubo, porque, graças à etapa de expansão, não é necessário suportar as paredes do tubo para impedir a sua derrocada aquando da colocação da peça de acoplamento.
[0043] A expansão mecânica, por via de um mandril rígido permite controlar com precisão a expansão com base na deslocação radial do mandril, contrariamente a uma expansão por insuflação de um gás onde o controlo efetua- se com base numa medição da pressão. Assim, o processo, de acordo com a presente invenção, permite realizar eixos com dimensões com uma precisão da ordem de 0,1 mm.
[0044] Além disso, pode-se aplicar uma pressão superior por via da deslocação radial do mandril. Isso tem como consequência que se estabelece um contato sem porosidade entre as estrias e o corpo e, mesmo no caso dos dentes serem abruptos, com um ângulo de abertura, na cabeça, inferior ou igual a 55 graus. Não é o caso para a expansão por ação do gás em que o perfil dos dentes deve ser mais suave para não deixar interstícios na base dos dentes.
[0045] Além disso, sendo a expansão realizada unicamente em sítios específicos, o processo permite franquiar o fabrico em moldes e utilizar somente uma barra como ferramenta, o que tem por efeito diminuir fortemente os custos dos equipamentos necessários para implantar o processo.
[0046] O processo, de acordo com a presente invenção, tem como vantagem as fibras ficarem feitas na terceira etapa quando a resina não está ainda polimerizada. Portanto ainda é maleável. Esta conformação permite estabelecer o contato perfeito entre o tubo de material compósito e o acoplamento. As fibras pré- impregnadas preenchem as ranhuras sem ficarem danificadas. Qualquer risco de geração e de propagação de fissuras é desde logo suprimido e o eixo forma um conjunto homogéneo sem porosidade.
[0047] Não se geram resíduos durante o fabrico do eixo. O acoplamento pode assim ser constituído apenas na superfície interna de uma estria com um fundo e uma cabeça sem zona traseira destinada e recolher os resíduos.
[0048] As ranhuras longitudinais permitem transmitir perfeitamente e sem esforço de torsão entre o acoplamento e o tubo compósito. As ranhuras estendem- se ao longo de toda a peça de acoplamento ao longo de todo o seu comprimento, o que permite manter um contato perfeito entre o tubo e a peça de acoplamento, ao longo de todo o seu comprimento, o que não é o caso nos documentos das patentes norte-americanas 7 874 925 e 2006/0258469. Nestes últimos documentos é necessário guardar uma zona sem ranhuras, que se poderia qualificar de zona de compromisso, para colocar livremente a peça de acoplamento à volta do tubo, quer dizer, de maneira concêntrica, antes da deformação do tubo na zona da ranhura. Na ausência desta zona, será necessário um equipamento para o posicionamento para assegurar que a peça de acoplamento fica bem posicionada antes de escavar os sulcos no tubo.
[0049] As ranhuras transversais permitem uma localização e uma retoma do esforço axial ente o tubo de material compósito e o acoplamento, sendo o número de ranhuras transversais função da carga longitudinal no sítio de descarga do acoplamento.
[0050] Além disso, contrariamente ao documento da patente norte-americana 7 874 925, o procedimento de fixação das peças de acoplamento ao tubo de compósito não gera constrangimentos residuais após a união. Este princípio de ligação da peça de acoplamento e do tubo compósito permite que não se coloque uma anilha no interior ao tubo compósito para evitar que a parede de compósito se desfaça aquando da transmissão de um par. Este ponto tem por efeito diminuir o peso do conjunto e diminuir os custos de fabrico.
[0051] A fibra é contínua até à extremidade do tubo, contrariamente aos eixos de transmissão dos documentos das patentes norte-americanas 7 874 925 e 2006/0258469 em que as fibras são seccionadas nas extremidades do tubo, na superfície longitudinal, o que fragiliza o material.
Claims (10)
1. Processo para fabricação de um eixo de transmissão, comportando um corpo (2) em material compósito e uma peça de acoplamento (3) numa das extremidades do corpo (2), em que a referida peça de acoplamento é oca e comporta, na sua superfície interior, estrias (4), em que o fundo (6) das estrias (4) delimita o circuito de um círculo com o diâmetro D2 e a cabeça (5) das estrias (4) delimita o circuito do círculo do diâmetro D1, caracterizado pelo fato de o referido processo compreender, sucessivamente, as etapas de: por à disposição um mandril (10) comportando uma parte extensível (12) e uma parte não extensível (11); produzir o corpo (2) por enrolamento filamentar de fibras pré-impregnadas à volta do mandril (10); posicionar a peça de acoplamento (3) à volta do corpo (2) ao nível da parte extensível (12) do mandril (10); expandir a parte extensível (12) do mandril (10) para preencher o fundo (6) das estrias (4) com as fibras pré-impregnadas do corpo (2); cozer o corpo (2) munido da peça de acoplamento (3); retirar o mandril (10), sendo que a superfície interna da peça de acoplamento (3) tem uma ranhura (7) estendendo perpendicular às estrias (4).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a peça de acoplamento (3) estar posicionada à volta do corpo (2) sem ter sido submetida a um cozimento prévio.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o corpo (2) ser produzido por enrolamento filamentar com um diâmetro externo ligeiramente inferior ao diâmetro D1.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de o mandril (10) ser metálico.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de as estrias (4) se estenderem ao longo da peça de acoplamento (3).
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de a expansão da parte expansível (12) do mandril (10) permitir igualmente preencher a ranhura (7) com fibras pré-impregnadas do corpo (2).
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de o eixo de transmissão (1) ter uma peça de acoplamento (3) em cada uma das suas extremidades e em que o mandril (10) compreende a parte não expansível (11) enquadrada em cada uma das extremidades da parte expansível (12).
8. Eixo de transmissão, tendo um corpo (2) em material compósito e uma peça de acoplamento (3) oca, posicionada à volta do corpo (2) numa das suas extremidades, a referida peça de acoplamento (3) comporta, na sua superfície interior, estrias (4) estendendo paralelas ao eixo geométrico longitudinal do corpo (2) para otimizar o suporte de carga de torção, caracterizado pelo fato de a superfície interna da peça de acoplamento (3) ter uma ranhura (7) estendendo perpendicular às estrias (4), o referido corpo (2) compósito preenchendo as estrias (4) e a ranhura (7) totalmente de maneira a haver um contato em todos os pontos entre o corpo (2) e a peça de acoplamento (3) não deixando interstícios..
9. Eixo de transmissão, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de as estrias (4) se estenderem ao longo de todo o comprimento da peça de acoplamento (3).
10. Eixo de transmissão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de incluir uma peça de acoplamento (3), em cada extremidade do corpo (2).
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