BR102014030075A2 - fixador, e, método de instalar um fixador - Google Patents

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Abstract

fixador, e, método de instalar um fixador. um fixador compreende uma cabeça, e uma haste tendo uma superfí­cie externa e um canal axialmente estendido na superfí­cie externa. um material sensí­vel a deformação opticamente transmissivo preenche o canal.

Description

“FIXADOR, E, MÉTODO DE INSTALAR UM FIXADOR” FUNDAMENTOS [001] Uma aeronave comercial pode incluir milhares de fixadores rosqueados que prendem diferentes componentes. Os fixadores rosqueados podem ser instalados a torques especificados. [002] Porém, um torque especificado pode não produzir uma pré-carga especificada (e.g., devido à fricção entre o fixador e a porca). Para assegurar que a pré-carga especificada é obtida, os fixadores são super dimensionados e super apertados. [003] Os fixadores superdimensionados são indesejáveis. Para uma aeronave comercial tendo milhares de fixadores, o uso de fixadores superdimensionados faz aumentar o peso da aeronave e, portanto, aumenta os custos de combustível e outros custos operacionais.
SUMÁRIO [004] De acordo com uma forma de realização aqui, um fixador compreende uma cabeça, e uma haste tendo uma superfície externa e um canal axialmente estendido na superfície externa. Um material sensível a deformação opticamente transmissivo preenche o canal. [005] De acordo com uma outra forma de realização aqui, um método compreende instalar um fixador incluindo uma haste tendo um canal preenchido com material óptico sensível a deformação, acabar o fixador enquanto se mede a pré-carga do fixador, e interromper o acabamento do fixador quando a pré-carga medida atinge um valor visado, medir a pré-carga inclui acoplar luz em uma entrada do canal preenchido, medir frequência de luz em uma saída do canal, e determinar a pré-carga a partir da frequência medida. [006] Estas características e funções podem ser conseguidas independentemente em várias formas de realização ou podem ser combinadas em outras formas de realização. Outros detalhes das formas de realização podem vistos com referência aos seguintes descrição e desenhos. [007] Além disso, a invenção compreende formas de realização de acordo com as seguintes cláusulas: [008] Cláusula 1. Um fixador compreendendo: uma cabeça; uma haste tendo uma superfície externa e um canal axialmente estendido na superfície externa; e material sensível a deformação opticamente transmissivo preenchendo o canal. [009] Cláusula 2. O fixador da cláusula 1, em que o canal preenchido inclui adicionalmente uma porção angulada para medir cisalhamento. [0010] Cláusula 3. O fixador da cláusula 1, compreendendo adicionalmente pelo menos um canal preenchido adicional na superfície externa da haste, em que os canais preenchidos são espaçados entre si. [0011] Cláusula 4. O fixador da cláusula 1, compreendendo adicionalmente pelo menos um canal preenchido adicional na superfície externa da haste, em que os canais preenchidos têm diferentes comprimentos axiais. [0012] Cláusula 5. O fixador de qualquer cláusula anterior, em que o canal preenchido inclui um núcleo óptico tendo um índice de refração graduado de tal modo que o canal preenchido funciona como uma grade de Bragg. [0013] Cláusula 6. Uma máquina em combinação com o fixador da cláusula 1, a máquina compreendendo uma fonte de luz para acoplar um sinal de entrada no canal preenchido; um detector para receber um sinal de saída do canal; e um processador para determinar a pré-carga na haste em função de uma saída do detector.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0014] A FIG. 1 é uma ilustração de um fixador incluindo uma árvore e um canal preenchido em uma superfície externa da árvore. [0015] A FIG. 2 é uma ilustração de uma seção transversal de uma porção do canal preenchido. [0016] A FIG. 3 é uma ilustração de uma cabeça do fixador da FIG. 1. [0017] A FIG. 4 é uma ilustração de um método de determinar pré-carga no fixador de FIG. 1. [0018] As FIGS. 5-10 são ilustrações de fixadores incluindo canais preenchidos tendo diferentes geometrias. [0019] A FIG. 11 é uma ilustração de uma máquina para determinar pré-carga sobre um fixador. [0020] A FIG. 12 é uma ilustração de um método de instalar um fixador em uma aeronave. [0021] A FIG. 13 é uma ilustração de um método de fabricar um fixador incluindo uma árvore, um canal em uma superfície externa da árvore, e material óptico no canal.
DESCRIÇÃO DETALHADA [0022] Um fixador inclui uma cabeça e haste. Um canal estende-se axialmente ao longo de uma superfície externa da haste. Um material sensível a deformação opticamente transmissivo preenche o canal. Como usado aqui, um “canal preenchido” refere-se a um canal que preenchido com o material sensível a deformação opticamente transmissivo. O canal preenchido pode funcionar como uma guia de onda ou um ressonador. A deformação da haste pode ser determinada acoplando luz em uma entrada do canal preenchido. Isso vai se manifestar como variações de ressonância do canal preenchido, ou interferência entre reflexões no canal preenchido. A deformação é determinada a partir de uma variação de frequência da luz em uma saída do canal preenchido. A pré-carga do fixador pode ser determinada a partir da deformação. [0023] A pré-carga pode ser determinada quando o fixador está sendo instalado. Esta determinação precisa de pré-carga durante instalação permite que uma pré-carga especificada seja obtida. Vantajosamente, o fixador não tem de ser superdimensionado e/ou super apertado para assegurar que a pré-carga especificada foi obtida. [0024] Como vai ficar evidente a partir da descrição que se segue, o canal preenchido não é limitado a qualquer forma geométrica particular. Algumas formas geométricas do canal preenchido incluem uma única porção reta, enquanto que outras configurações são mais complexas e têm múltiplas porções com diferentes formatos. Estas formas geométricas são concebidas especificamente para medir diferentes parâmetros. [0025] Referência é feita à FIG.1, a qual ilustra um fixador 110 incluindo uma cabeça 120, e uma haste 130 tendo uma porção rosqueada 132 e uma porção não rosqueada 134. A haste 130 estende-se a partir da cabeça 120 em uma direção axial (denotada pela seta A). [0026] O fixador 110 tem adicionalmente um canal preenchido 140 em uma superfície externa da porção não rosqueada 134. O canal preenchido 140 da F1G. 1 tem uma geometria em formato de U. Uma primeira porção 142 do canal preenchido 140 estende-se a partir da cabeça 120 em uma direção axial para baixo sobre a porção não rosqueada 134 da haste 130. Uma segunda porção 144 do canal preenchido 140 estende-se circunferencialmente a partir da primeira porção 142. Uma terceira porção 146 do canal preenchido 140 estende-se a partir da segunda porção 144 na direção axial e termina na cabeça 120. A largura do canal preenchido 140 na FIG. 1 não está em escala, mas ao contrário é exagerada de modo a ser visível. Na prática, cada porção 142-146 do canal preenchido 140 pode ter uma largura e profundidade de não mais do que 100 mícrons. O material opticamente transmissivo que preenche estas porções 142-146 pode ser homogêneo. [0027] Por ora, considere-se a primeira porção 142 do canal preenchido 140. Uma corte transversal da primeira porção 142 é ilustrado na FIG. 2. Um material opticamente transmissivo 150 preenche a primeira porção 142. O material opticamente transmissivo 150 pode incluir um núcleo óptico 152 e um revestimento 154 entre a haste 130 e o núcleo óptico 152. [0028] Os materiais no núcleo óptico 152 e no revestimento 154 têm uma diferença em seu índice de refraçào no comprimento de onda da luz de ativação. O índice de refração no núcleo óptico 152 é maior do que o índice de refração no revestimento 154. Exemplos para o núcleo 152 e o revestimento 154 incluem, mas são não limitados a, (1) materiais tipo silicone tal como Dow Corning® OE-4140 para o núcleo óptico 152 e OE-4141 para o revestimento 154; (2) materiais de polímero de siloxano tais como as Dow Corning® OE-6636 para o núcleo 152 e OE-6370 para o revestimento 154; (3) acrílicos/epóxis tais como polímeros curáveis por UV para o núcleo 152 e o revestimento 154; e (4) fluoropolímeros transparentes (e.g., CYTOP) para o revestimento 154. [0029] O material opticamente transmissivo 150 é aderido à haste 130. Por exemplo, o material para o núcleo óptico 152 é “escoado” para dentro do canal 140, e adere ao revestimento 154 e/ou à hastel30. [0030] Referência é feita à FIG. 3. O fixador 110 pode ter aberturas de entrada e de saída 322 e 324 localizadas na cabeça 120. As aberturas 322 e 324 podem ser formadas perfurando pequenos orifícios na cabeça 120. Estes orifícios não precisam formar uma parte do canal 140, uma vez que eles só permitem acesso ao canal 140. (Em outras configurações, aberturas de entrada e de saída podem estar localizadas na extremidade rosqueada.) [0031] Referência é feita agora à FIG. 4. A pré-carga sobre o fixador 110 pode ser determinada como se segue. No bloco 410, antes de uma pré-carga ser aplicada ao fixador 110, luz de entrada é acoplada na abertura de entrada 322, e recebida na abertura de saída 324. A frequência da luz na abertura de saída 324 é medida. Esta medição vai servir como uma medição de linha básica. Como o canal preenchido 140 funciona como uma guia de onda, a interferência entre reflexões no canal preenchido 140 é medida. [0032] No bloco 420, a instalação do fixador 110 começa, à medida que torque é aplicado ao fixador 110. Por exemplo, o fixador 110 é inserido em uma pilha de membros e terminado com uma porca. Apertar a porca sobre a haste 130 põe a haste 130 sob tração e faz a haste 130 se deformar na direção axial (A). Esta deformação se translada em pequena deformação mecânica no canal preenchido 140. Esta deformação mecânica altera a frequência da luz a partir da abertura de entrada 322 para a abertura de saída 324. [0033] A medida que o torque está sendo aplicado, luz é acoplada na abertura de entrada 322. A frequência da luz na abertura de saída 324 é medida. [0034] No bloco 430, a deformação é deduzida. Uma diferença entre as frequências medida e de linha básica é determinada. A deformação é deduzida a partir da diferença de frequência. Uma única computação de tensão axial na haste 130 pode ser computada como a deformação medida multiplicada pelo módulo de elasticidade da haste. (Uma computação mais complexa pode incluir termos adicionais, tais como a razão de Poisson.) The pré-carga sobre o fixador 110 pode ser computada como o produto da tensão e da área de seção transversal da haste 130. [0035] No bloco 440, a pré-carga computada é então comparada a um valor visado. As funções nos blocos 420 e 430 são repetidas continuamente até que a pré-carga medida atinge o valor visado. [0036] O canal preenchido 140 proporciona precisão mais alta e suscetibilidade mais baixa a ruído do que um calibre de deformação de fio. Ele também tem um raio de curvatura mais preciso. O canal preenchido 140 proporciona melhor acoplamento de deformação do que um fio óptico estendendo-se através o furo central de um fixador e colado nele. [0037] Em geral, um canal preenchido na superfície da haste pode ser configurado com uma variedade mais ampla de geometrias do que uma fibra óptica estendendo-se através do furo central de um fixador. Algumas destas geometrias podem também ser usadas para determine cisalhamento e/ou flexão do fixador. [0038] Referência é feita agora à FIG. 5, que ilustra um fixador 510 incluindo um canal 540 tendo uma primeira porção 542 que se estende em uma direção axial para baixo sobre a porção não rosqueada 534 da haste 530, uma segunda porção 544 que é bulbosa, e uma terceira porção 546 que retoma para cima na direção axial. A primeira e a terceira porções 542 e 546, que se estendem na direção axial, são construídas como porções de acoplamento, que transmitem luz, mas são menos sensíveis a deformações causadas por esforço [0039] Referência é feita agora à FIG. 6, que ilustra um fixador 610 incluindo um primeiro canal 640 para medir deformação axial, e um segundo canal 645 para medir cisalhamento. O segundo canal 645 inclui uma primeira e uma segunda porções axialmente estendidas 646 e 647 que são constmídas como porções de acoplamento. Entre estas duas porções 646 e 647 estão um ou mais “dedos” 648 que se estendem em um ângulo (a) em relação à direção axial. Forças de cisalhamento podem ter tanto um componente transversal quanto um componente axial. Para medir a resultante destes componentes ao invés dos componentes individual, os dedos 648 são orientados no ângulo (a). O valor ótimo para o ângulo (a) corresponde à magnitude relativa esperada dos componentes das forças de cisalhamento. Por exemplo, se se espera que os componentes sejam iguais, o ângulo pode ser α =45 graus. [0040] Um fixador aqui pode ter mais do que um do mesmo tipo de canal. Múltiplos canais do mesmo tipo podem ser usados quando a deformação axial ou cisalhamento não é distribuída uniformemente sobre a seção transversal da haste. Por exemplo, o fixador 510 de FIG. 5 inclui múltiplos canais 540 para medir flexão que não é distribuída uniformemente ao longo da seção transversal da haste 530. [0041] Referência é feita agora à FIG. 7, que ilustra um fixador 710 incluindo múltiplos primeiros canais 720 para medir deformação axial ao longo da seção transversal. Os primeiros canais 720 têm diferentes comprimentos axiais para medir deformação axial em vários locais ao longo da dimensão axial. [0042] O fixador 710 também inclui múltiplos segundo canais 730 para medir cisalhamento através da seção transversal. As porções de acoplamento dos segundos canais 730 têm diferentes comprimentos axiais para medir cisalhamento em vários locais ao longo da dimensão axial. [0043] O uso de múltiplos canais também possibilita calibração de referência dos canais a carga zero. Todos os canais do mesmo tipo deve proporcionar medições idênticas. Desvios dentre as medições podem indicar um fixador de não conformação. [0044] As FIGS. 8 e 9 ilustram fixadores 810 e 910 tendo canais aninhados 820 e 920 para medir deformação axial. Os canais 820 da FIG. 8 estendem-se ao longo de diferentes cordas da haste 830. O comprimento da corda aumenta com o aumento da distância a partir da cabeça do fixador 840. Os canais 920 de FIG. 9 também se estendem ao longo de diferentes cordas da haste 930. O comprimento da corda diminui com o aumento da distância a partir da cabeça do fixador 940. [0045] Referência é feita agora à FIG. 10, que ilustra um fixador 1010 incluindo um canal 1020 tendo uma única porção reta. Luz é acoplada, e recebida em, uma única abertura. O núcleo óptico no canal 1020 tem um índice de refração graduado de modo tal que o material opticamente transmissivo funciona como uma grade de Bragg. O comprimento de onda da luz acoplada no material óptico e refletida pela grade de Bragg é substancialmente proporcional à distância entre duas variações do índice de refração do material óptico. Qualquer variação desta distância resultando a partir de deformação pode ser detectada medindo o comprimento de onda da luz refletida. [0046] Referência é feita agora à FIG. 11, que ilustra uma máquina 1110 para determinar a pré-carga sobre um fixador aqui. A máquina 1110 pode ser configurada para acoplar um sinal óptico de entrada em um canal preenchido e medir a frequência de um sinal de saída a partir do canal preenchido. A máquina 1110 pode ser adicionalmente configurada para determinar a e pré-carga na haste do fixador em função da frequência medida. Por exemplo, a máquina 1110 pode incluir uma fonte de luz 1120, um detector 1130, e acionador associado e eletrônica de interface 1140 para acoplar o sinal óptico de entrada e medir a frequência do sinal óptico de saída. Estes componentes 1120-1140 podem ser miniaturizados em um pequeno módulo eletrônico, que pode se comunicar com um processador de bordo 1150 ou um processador remoto (e.g., nódulo de monitoramento de estado, processador central, instrumento de leitura portátil). [0047] Em algumas configurações, a máquina 1110 pode adicionalmente incluir uma chave de torque, que carrega um módulo eletrônico. Um processor de bordo 1150 ou um processador remoto pode determinar a pré-carga aplicada pela chave de torque. [0048] Em outras configurações, o módulo eletrônico pode ser embutido em um adesivo, que é fixado à cabeça de um fixador sobre as aberturas de entrada e de saída. O adesivo recebe potência sem fio e então transmitir sem fio os sinais para um dispositivo de computação remoto. [0049] Em adicionalmente outras configurações, a máquina 1110 inclui um robô tendo um efetuador de terminação instalar fixadores. Os fixadores podem ser terminados manualmente ou roboticamente. O efetuador de terminação carrega o módulo eletrônico, e um processador de bordo 1150 ou um processador remoto determina a pré-carga durante terminação do fixador e interrompe a terminação do fixador quando a pré-carga iguala um valor visado. [0050] O robô pode ser configurado para instalar fixadores em uma aeronave. Algumas configurações do robô podem ser usadas para determinar a pré-carga durante a instalação do fixador. Algumas configurações podem ser usadas para determinar a pré-carga após instalação do fixador. Como um exemplo da última, a pré-carga pode ser determinada durante monitoramento de estado de uma aeronave. [0051] Referência é feita agora à FIG. 12, que ilustra um método de instalar um fixador em uma aeronave. No bloco 1210, um fixador é inserido em uma pilha de materiais. Como apenas um exemplo, um furo é aberto na pele e uma substrutura de reforço subjacente, e o fixador é inserido no furo. [0052] No bloco 1220, o fixador é terminado enquanto se mede a pré-carga do fixador. Por exemplo, uma porca é atarraxada sobre a extremidade rosqueada do fixador, e a porca é apertada para segurar a pilha. A medida que a porca está sendo apertada, luz é acoplada em uma abertura de entrada do canal preenchido, e a frequência de luz recebida em uma abertura de saída do canal preenchido é medida. A pré-carga é determinada a partir da frequência medida. [0053] No bloco 1230, o acabamento do fixador é terminado quando a pré-carga atinge um valor visado. Uma vez que a pré-carga é determinada no fim do acabamento do fixador, a necessidade de garantia de qualidade subsequente para checar torques sobre fixadores é eliminada. [0054] Ademais, a garantia é mais precisa, uma vez que está sendo medida a pré-carga ao invés do torque. As medições de torque podem ser afetadas por variação de fricção tal como fricção entre o fixador e a porca. [0055] A medição precisa da pré-carga durante instalação do fixador possibilita que uma pré-carga especificada seja obtida durante a instalação. Vantajosamente, o fixador não ter de ser superdimensionado e/ou super apertado para garantir que a pré-carga especificada tenha sido obtida. Assim, o peso do fixador é reduzido. A redução de peso de um único fixador pode parecer trivial. Porém, dado o grande número de fixadores sobre uma aeronave, a redução cumulativa de peso pode resultar em uma substancial economia nos custos de combustível e em outros custos operacionais da aeronave. [0056] Referência é agora feita à FIG. 13, que ilustra um método de fabricar um fixador como o daqui. O método começa com uma cavilha usinada ou forjada com filetes de rosca laminados (bloco 1310). [0057] No bloco 1320, pelo menos um canal é então formado em uma superfície externa há haste do fixador (bloco 1320). Cada canal pode ser formado, por exemplo, por micro-usinagem, corte a laser, ou ataque químico. [0058] No bloco 1330, um material óptico é formado no canal. O revestimento e o núcleo óptico podem ser formados por impressão 3D, tal como deposição de jato aerossol. [0059] No bloco 1340, um revestimento adicional pode ser formado sobre uma superfície externa do núcleo. O revestimento adicional proporciona proteção contra dano mecânico.

Claims (15)

1. Fixador, caracterizado pelo fato de que compreende: uma cabeça; uma haste tendo uma superfície externa e um canal axialmente estendido na superfície externa; e um material sensível a deformação opticamente transmissivo, preenchendo o canal.
2. Fixador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a haste inclui uma porção rosqueada e uma porção não rosqueada; e em que o canal preenchido estende-se axialmente sobre apenas a porção não rosqueada.
3. Fixador de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o canal preenchido tem menos do que 100 mícrons de largura.
4. Fixador de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o material sensível a deformação opticamente transmissivo é aderido à haste.
5. Fixador de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o material sensível a deformação opticamente transmissivo inclui um núcleo óptico e um revestimento entre a haste e o núcleo.
6. Fixador de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o material opticamente transmissivo inclui adicionalmente um revestimento sobre uma superfície externa do núcleo.
7. Método de instalar um fixador como definido em qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que compreende apertar o fixador enquanto se transmite luz a uma abertura de entrada do canal preenchido, medir a frequência da luz em uma abertura de saída do canal preenchido, e determinar a pré-carga sobre o fixador em função da frequência medida.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o fixador até que a pré-carga atinge um valor visado.
9. Fixador de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o canal preenchido forma uma guia de onda.
10. Fixador de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o canal preenchido tem o formato de U para medir a deformação axial.
11. Fixador de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o canal preenchido inclui porções axialmente estendidas que são construídas como porções de acoplamento, e pelo menos uma porção entre as porções axialmente estendidas que é aderida à haste.
12. Fixador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o canal preenchido inclui uma primeira porção axialmente estendida, uma segunda porção bulbosa, e uma terceira porção axialmente estendida.
13. Método, caracterizado pelo fato de que compreende: instalar um fixador incluindo uma haste tendo um canal preenchido com material óptico sensível a deformação; acabar o fixador enquanto se mede a pré-carga do fixador; e interromper o acabamento do fixador quando a pré-carga medida atinge um valor visado; medir a pré-carga inclui acoplar luz em uma entrada do canal, medir a frequência da luz em uma saída do canal preenchido, e determinar a pré-carga a partir da frequência medida.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pré-carga do fixador é determinada durante a instalação em uma aeronave.
15. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pré-carga do fixador é determinada durante monitoramento do estado de uma aeronave.
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