BR102018006364B1 - Haste compósita, e, método para montagem de um acessório de extremidade - Google Patents

Abstract

Uma haste compósita com um acessório de extremidade montado em uma região de interface em pelo menos uma extremidade da referida haste e uma estrutura de pré-carga disposta de modo a proporcionar uma força de inclinação para polarizar a haste compósita contra o acessório de extremidade; em que a estrutura de pré-carga está em ajuste de interferência com a haste compósita. A estrutura de pré-carga é aplicada a haste compósita em uma operação subsequente para a montagem do acessório de extremidade na haste. Ao aplicar a pré-carga em uma operação subsequente, a força de polarização que é aplicada pela pré-carga não impede a montagem do acessório de extremidade a haste e não aumenta a fricção e a geração de calor envolvidos nesse processo de montagem. Em vez disso, a junta é formada sob condições de estresse mínimas, permitindo assim que a haste seja construída apenas para suportar esse estresse reduzido. A estrutura de pré-carga adiciona então uma pré-carga à junta já formada, aumentando assim a resistência à fadiga e a colocação da haste em um estado de estresse residual vantajoso antes de qualquer carga de operação aumenta a força da junta. A estrutura (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente divulgação refere-se a conexões de extremidades compósitas, em particular conexões de extremidade de um componente estrutural compósito feito de um material compósito de matriz de polímero. Esta divulgação diz respeito particularmente a conexões de extremidade que podem transmitir cargas axiais de/para um componente estrutural compósito.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Os componentes estruturais compósitos são tipicamente feitos de um material compósito de matriz de polímero (PMC), muitas vezes um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra, utilizando reforço de fibra de vidro e/ou carbono tal como, por exemplo, polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Os componentes estruturais compósitos oferecem a oportunidade para soluções de transmissão de carga leves e econômicas. Os maiores benefícios geralmente são alcançados quando o trajeto de carga e a geometria são simples. Os componentes de transmissão de carga axial, tais como, por exemplo, bastões e suportes, são candidatos ideais para material compósito de matriz de polímero e tais componentes estruturais compósitos são amplamente utilizados em aeronaves comerciais. Esses componentes estruturais compósitos geralmente requerem uma conexão de extremidade com uma forma complexa para realizar uma interface com outros componentes. Os metais são eficientes quanto ao peso e ao custo para formar uma conexão de extremidade com geometria complexa. No entanto, juntar um componente estrutural compósito a um componente metálico para formar uma conexão de extremidade apresenta desafios significativos, especialmente na indústria aeroespacial, onde a junta deve ser formada de forma sólida e certificável.

[003] As estruturas de enrolamento de filamentos são tipicamente formadas por filamentos de enrolamento, tais como fibras de carbono em torno de um mandril de forma helicoidal de modo a construir uma haste em forma de tubo. O ângulo do enrolamento helicoidal influencia as propriedades da haste. Por exemplo, os enrolamentos que se aproximam de 45 graus têm propriedades de torção mais altas e aqueles com mais de 45 graus possuem maiores propriedades na direção do aro. Cerca de 45 graus é geralmente otimizado para a transmissão de torque, enquanto as cargas axiais são melhor transmitidas com fibra de ângulo baixo, por exemplo, aproximando 0 graus ao longo do comprimento do tubo. Outras técnicas para fabricação de PMCs incluem trançamento, técnicas de colocação de fibras (incluindo AFP), técnicas de invólucro com pré-impregnação (prepreg) e métodos de pultrusão. Os eixos compósitos podem envolver várias camadas, com diferentes camadas com diferentes propriedades. Por exemplo, o ângulo da fibra pode ser variado entre camadas para dar propriedades diferentes, tais como resistência à flexão ou resistência ao impacto.

[004] US 2016/153489 e o pedido de patente Europeia não publicado número 16275019.4 descrevem as juntas em que os acessórios de extremidade estão ligados a hastes compósitas. Em tais juntas, a transmissão de forças entre a haste compósita e o acessório de extremidade é feita parcialmente por meio de dentes (dentes helicoidais ou ranhuras axiais) que são fornecidos no acessório de extremidade de metal e cortados na haste compósita e parcialmente por fricção entre a haste compósita e as regiões de metal planas (ou seja, porções do perfil geral do dente, entre os dentes de corte, que se encontram paralelos ao eixo da haste compósita) que são formadas entre os dentes como parte do perfil do dente do acessório de extremidade. A parte de fricção deste engate é importante para melhorar as propriedades de desgaste da conexão. Em particular, este engate friccional proporciona uma certa quantidade de pré-carga na junta que impede que a haste compósita sofra atrito (se movendo para frente e para trás), que sob altas cargas podem causar desgaste e, eventualmente, causar falha na junta. No entanto, a provisão das regiões planas no perfil do dente aumenta significativamente o comprimento do acessório de extremidade, o que resulta em muito metal e muito peso, o que é indesejável. Além disso, o processo de encaixe de tais acessórios de extremidade na haste compósita envolve pressionar ou aparafusar o acessório de extremidade na haste (seja através de carga axial compressiva ou através de uma combinação de carga axial de compressão e rotação) contra o atrito de tais regiões. Esta fricção aquece o compósito da haste e, para combater essas cargas de conjunto, são necessárias camadas adicionais de compósitos que não são necessárias para operação normal após a junção, adicionando novamente o tamanho e o peso do componente.

[005] No documento EP 16275019.4, o uso de uma haste cônica e de um acessório de extremidade resulta em aros e cargas radiais sendo aplicadas por meio da haste compósita durante a montagem do acessório de extremidade a haste. Para resistir a estas cargas durante o processo de montagem, o reforço de aro temporário pode ser aplicado a haste antes da junta ser unida, seja como um anel em torno da parte externa da haste ou como um plugue dentro da porção oca da haste. Também é observado que essas estruturas de reforço de aro aumentam a rigidez do aro e ajudam a manter a pressão sobre a articulação e, portanto, podem ser deixadas no lugar, em vez de serem removidas após a montagem. No entanto, essas estruturas de reforço de aro apenas resistem à deformação indesejada da estrutura compósita durante o encaixe e não proporcionam uma pré-carga na junta, ou seja, não influenciam as fibras compósitas antes da instalação do acessório final.

[006] É desejável que a conexão entre a haste e outros componentes seja estruturalmente eficiente de modo a minimizar o peso, assegurando uma boa transmissão de força e boa robustez da junta.

SUMÁRIO

[007] De acordo com esta divulgação, é proporcionada uma haste compósita com um encaixe de extremidade montado em uma região de interface em pelo menos uma extremidade da referida haste e uma estrutura de pré-carga disposta para fornecer uma força enviesante para enviesar a haste compósita contra o acessório de extremidade; em que a estrutura de pré-carga está em ajuste de interferência com a haste compósita.

[008] A estrutura de pré-carga é aplicada à haste compósita em uma operação subsequente para a montagem do acessório de extremidade na haste. Ao aplicar a pré-carga em uma operação subsequente, a força enviesante que é aplicada pela pré-carga não impede a montagem do acessório de extremidade a haste e não aumenta a fricção e a geração de calor envolvidos nesse processo de montagem. Em vez disso, a junta é formada sob condições de estresse mínimas, permitindo assim que a haste seja construída apenas para suportar esse estresse reduzido. A estrutura de pré-carga adiciona então uma pré-carga à junta já formada, aumentando assim a resistência à fadiga e a colocação da haste em um estado de estresse residual vantajoso antes de qualquer carga de operação aumenta a força da junta.

[009] A estrutura de pré-carga é dimensionada de modo a estar em um encaixe de interferência com a haste, ou seja, a estrutura de pré-carga é dimensionada de modo que, após a inserção, seja causada uma deformação na haste, espremendo as fibras da haste contra o acessório de extremidade. A haste está assim encaixada entre a estrutura de pré-carga e o acessório de extremidade. O grau de ajuste de interferência pode ser escolhido para aplicar um nível desejado de pré-carga nas superfícies das juntas. O grau de ajuste de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores operacionais, tais como as cargas axiais esperadas ou pretendidas a serem transmitidas durante o uso. Além disso ou alternativamente, o grau de encaixe de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores estruturais, como o diâmetro e/ou a espessura da parede da haste compósita. Além disso ou alternativamente, o grau de encaixe de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores estruturais, como o ângulo dos dentes no acessório de extremidade. Além disso ou alternativamente, o grau de ajuste de interferência pode ser escolhido levando em consideração os fatores que afetam a resistência à compressão radial da haste compósita, como o conteúdo do vazio, a fração volumétrica da fibra, a rigidez das fibras, por exemplo, o módulo de elasticidade e/ou a deposição de camadas selecionada do material compósito da matriz de polímero - um ou mais dos quais podem ditar o nível de pré-carga que pode ser suportado. Nos exemplos preferidos, o ajuste de interferência entre a estrutura de pré-carga e a haste compósita é de pelo menos 80 mícrons, de preferência pelo menos 100 mícrons, mais preferencialmente pelo menos 150 mícrons. Esta distância representa a diferença de tamanho (ou seja, sobreposição) entre o tamanho da estrutura de pré-carga e a dimensão correspondente da haste a qual deve ser aplicada.

[0010] O acessório de extremidade é tipicamente metálico, embora possa ser formado a partir de qualquer material adequado.

[0011] Embora um engate puramente friccional possa proporcionar uma força de engate suficiente em alguns exemplos, de preferência o acessório de extremidade compreende ainda os dentes que se encaixam com a haste compósita. Os dentes cortam a haste compósita e fornecem superfícies que podem transmitir forças de forma mais eficiente entre o acessório de extremidade e a haste compósita. O engate friccional entre o acessório de extremidade e a haste compósita é em parte determinado pelo ângulo do dente. Enquanto os dentes de ângulo superior podem transmitir forças mais diretamente, se o ângulo do dente é muito grande, os dentes tornam-se vulneráveis à quebra. Portanto, é desejável reduzir o ângulo do dente com o requisito correspondente para aumentar a força friccional contra os dentes para a transmissão de carga equivalente.

[0012] Ao aplicar a estrutura de pré-carga em uma operação subsequente, a pré-carga é aplicada à junta após os dentes terem cortado a haste compósita. Se a estrutura de pré-carga fosse aplicada antes da instalação da junta, os dentes iriam cortar mais profundamente a haste e a junta pode ainda sofrer problemas de atrito após alta carga. Em vez disso, os dentes cortam a haste sob uma carga friccional inferior e a força friccional entre as hastes e os dentes é subsequentemente aumentada pela aplicação da pré-carga sem nenhum movimento de corte adicional do acessório de extremidade. Os dentes são assim mantidos firmemente nas ranhuras que formaram na haste.

[0013] De preferência, um perfil de dente feito perpendicular aos dentes compreende substancialmente nenhuma porção de região plana (isto é, porções do perfil de dente geral que são paralelas ao eixo da haste compósita) em contato friccional com a haste. Isso contrasta com a técnica anterior discutida acima em que tais regiões proporcionaram uma fricção benéfica. A estrutura de pré-carga evita a necessidade de tais superfícies de fricção adicionais e, portanto, o tamanho do acessório de extremidade pode ser reduzido pela omissão dos mesmos. O resultado é uma junta mais forte para um determinado comprimento e, portanto, uma economia no peso. Além disso, sem regiões planas, a geração de carga e a geração de temperatura necessária é menor, resultando em uma maior economia de peso para os componentes, pois a haste compósita pode ser otimizada para as cargas operacionais sem consideração adicional para acomodação das cargas de conjunto do acessório de extremidade.

[0014] A estrutura de pré-carga é preferencialmente disposta de modo a aumentar a força de fricção entre a haste compósita e o acessório de extremidade a um nível maior do que a força de fricção resultante da montagem do acessório de extremidade na haste. Isso garante os melhores benefícios de menor fricção para montar o acessório de extremidade e maior fricção, uma vez que a junta (com pré-carga) é totalmente formada.

[0015] Embora possa haver alguma rugosidade na superfície da haste na região da interface, em alguns exemplos é preferível que a superfície da haste compósita seja lisa antes do engate com o acessório de extremidade. Esta suavidade pode ser alcançada como parte do processo de enrolamento e cura ou pode ser conseguida através de moagem ou outro processo de remoção de material após a cura do compósito.

[0016] Enquanto a haste pode ser cilíndrica na região de interface, em alguns exemplos preferidos, na referida região de interface a haste é afunilada; e o referido acessório de extremidade compreende uma superfície com um cone correspondente, a superfície engatando com a referida região de interface.

[0017] Afunilar a haste e o acessório de extremidade significa que o processo para engate dos dois juntos pode ser realizado em menos tempo e a uma curta distância. O cone permite uma certa quantidade de sobreposição axial entre as duas partes antes do contato ser feito entre o acessório de extremidade e a região de interface da haste. Quando o contato é feito, é feito ao longo de substancialmente toda a região da interface simultaneamente. O movimento axial adicional entre as duas partes resulta em uma maior sobreposição das duas partes. É importante ressaltar que o cone na haste expõe uma seção transversal significativa da haste ao acessório de extremidade e resulta em engate com o engate final naquela porção exposta. Isso garante que o engate não seja simplesmente com a parte superficial mais externa ou interna da haste, reduzindo a chance de delaminação quando a força é transmitida pela junta.

[0018] Quando comparada aos métodos existentes nos quais uma haste é engatada com um acessório de extremidade em uma região de interface cuja superfície é paralela ao eixo, a distância de engate mais curta ao longo da qual o contato é necessário significa que há menos acumulação de calor devido à fricção entre as partes e menos tempo é necessário para completar a junta (tornando o conjunto mais rápido e eficiente).

[0019] Em alguns exemplos, a superfície dentada pode compreender pelo menos um dente formado como uma rosca helicoidal se engatando com a região de interface. A rosca helicoidal (ou pluralidade de hélices no caso de uma disposição de rosca de partida múltipla) se estende substancialmente circunferencialmente em torno da região de interface (embora também com um componente axial de modo a formar uma hélice). Para engatar as roscas helicoidais com a região da interface, o acessório de extremidade e a haste são girados em relação um ao outro de modo a torcer o acessório de extremidade no eixo. Preferencialmente ao mesmo tempo, um movimento relativo axial é induzido a uma taxa de um passo de rosca por rotação total. Isso ajuda a garantir que a rosca corta a região da interface na direção certa para o ângulo da rosca. O lubrificante pode ser usado para facilitar o processo de junção. O ângulo da rosca pode variar de acordo com o carregamento pretendido. Um ângulo alto (próximo a perpendicular ao eixo da haste) será o melhor para cargas puramente axiais, enquanto um ângulo inferior melhorará as propriedades de transmissão de torque. Por exemplo, um ângulo de rosca de 45 graus para o eixo da haste dá boas propriedades de transmissão para torque/carga axial mista. Para maximizar a eficiência da transferência de força na direção axial (isto é, para tensão/compressão), é desejável tornar a rosca o mais perpendicular possível em relação ao eixo da haste. Isso tem o efeito de aumentar a quantidade de corte necessária para aparafusar completamente o acessório de extremidade na haste para um determinado comprimento de junta. No entanto, o afunilamento da haste e do acessório de extremidade reduzem a distância que deve ser aparafusada (em comparação com uma junta não afunilada) e, assim, reduzem a quantidade de corte que possibilita um alto ângulo de rosca.

[0020] Uma rosca de partida múltipla pode ser usada no acessório de extremidade, ou seja, uma com várias hélices adjacentes entrelaçadas uma com a outra. No entanto, em alguns exemplos preferidos, a rosca é uma rosca de partida múltipla. A rosca de partida múltipla pode ter vantagens na redução do número de voltas necessárias para montar ao acessório de extremidade na haste, mas também requer uma redução do ângulo entre as roscas e o eixo da haste (ou seja, as roscas devem ser menos perpendiculares ao eixo da haste) que, conforme discutido anteriormente, diverge da disposição ideal e perpendicular para transmissão de carga axial.

[0021] A montagem do acessório de extremidade na haste por meio de uma rosca helicoidal torna a junta mais adequada para transmissão de forças axiais do que uma junta que se engata por meio de ranhuras axiais na região de interface. Este anexo helicoidal forma assim uma junta de tensão/compressão que é mais adequada para hastes que transmitem tensões e/ou forças de compressão. A presente divulgação é particularmente adequada à transmissão de força axial.

[0022] Em alguns exemplos preferidos, a haste é uma haste de filamento de várias camadas e a região de interface afunilada expõe uma pluralidade de camadas de filamentos (fibras) à superfície dentada. Por exemplo, uma haste de enrolada com filamentos pode tipicamente ser formada por enrolamento de filamentos em torno de um mandril em uma hélice (com ângulo de hélice variável, dependendo da aplicação) para trás e para trás de modo a construir várias camadas de filamentos para a espessura desejada. Conforme descrito acima, diferentes camadas podem ser formadas com diferentes ângulos de hélice para dar propriedades diferentes ao produto acabado. Os filamentos enrolados são normalmente umedecidos ou revestidos em resina de modo a formar uma matriz de resina e filamentos que são curados para se solidificação e formação do compósito final.

[0023] O afunilamento da região da interface por corte ou trituração ou por qualquer outro processo de remoção de material para expor as extremidades do filamento garante que todas ou muitas camadas de fibras (geralmente camadas helicoidais de fibras) que formam a haste estejam engatadas com o acessório de extremidade, garantindo assim um ótimo compartilhamento de carga das forças entre o acessório de extremidade e a haste. A distribuição das forças aplicadas em mais fibras, em particular através de mais camadas de fibras da haste, aumenta a força da junta. Durante o processo de montagem, em alguns exemplos, os dentes da superfície dentada são conduzidos para dentro da haste compósita, comprimindo o material compósito (que pode incluir a compressão da resina, bem como a compressão das fibras), formando assim uma forte conexão. À medida que mais dentes se engatam com a região da interface, a força da junta aumenta. Os dentes cortam e removem o material da haste compósita. Em outros exemplos, um canal de recepção de rosca ou canais de recepção de estria podem ser usinados (por exemplo, pré-cortados) na haste antes do encaixe do acessório de extremidade. Isso tem a vantagem de reduzir a carga do conjunto e, portanto, as camadas da haste podem ser otimizadas para atender as cargas operacionais, não as cargas para o conjunto.

[0024] A junta é estruturalmente eficiente em termos de sua razão força/peso. O acessório pode ser formado de uma única peça e pode usar menos material (por exemplo, menos metal) e menos compósito na região de junta em comparação com outras técnicas de junta. Isso também reduz o custo e é simples de fabricar e montar.

[0025] Em alguns exemplos, a haste é um tubo oco e o cone é formado na parte externa da referida haste e em que a referida estrutura de pré-carga é fornecida dentro do tubo oco.

[0026] Com o cone formado na parte externa da haste, o diâmetro externo da haste se reduz em direção a extremidade da haste. Isto forma uma extremidade cônica convexa para a haste (embora, como a haste é oca, este não é um cone completo, resultando em uma extremidade em forma substancialmente tronco cônica). O acessório de extremidade tem, então, uma forma de cone côncavo (ou forma tronco cônica) que corresponde e se engata com a mesma.

[0027] Em tais exemplos, a estrutura de pré-carga pode tomar qualquer forma adequada, desde que forneça uma pré-carga adequada a haste. Esta pode formar uma estrutura circunferencial contínua dentro da haste oca e engatar com seu diâmetro interno. A estrutura de pré-carga pode ser geralmente de forma cilíndrica. A estrutura de pré-carga pode ser sólida ou parcialmente segmentada. Em pelo menos alguns exemplos, a estrutura de pré-carga pode assumir a forma de um anel de aro ou de um plugue.

[0028] Em outros exemplos, a haste é um tubo oco, o cone é formado no interior da referida haste e em que a referida estrutura de pré-carga é fornecida no exterior da referida haste.

[0029] Com o cone formado no interior da haste, o diâmetro interno da haste aumenta em direção à extremidade da haste. Isto forma uma extremidade cônica côncava para a haste (embora, como a haste é oca, este não é um cone completo, resultando em uma extremidade em forma tronco cônica côncava). O acessório de extremidade tem, então, uma forma de cone convexa (ou forma tronco cônica) que corresponde e se engata com a mesma.

[0030] Em tais exemplos, a estrutura de pré-carga pode tomar qualquer forma adequada, desde que forneça uma pré-carga adequada a haste. Esta pode formar uma estrutura circunferencial contínua em torno da extremidade da haste. A estrutura de pré-carga pode ser geralmente de forma cilíndrica. A estrutura de pré-carga pode ser sólida ou parcialmente segmentada. Em pelo menos alguns exemplos, a estrutura de pré-carga pode assumir a forma de um anel de aro, colar ou luva.

[0031] A estrutura de pré-carga pode ser feita de qualquer material rígido adequado que seja capaz de formar e manter um ajuste de interferência com a extremidade da haste. Em alguns exemplos, a estrutura de pré-carga é feita de um material metálico. Em alguns exemplos, a estrutura de pré-carga é feita de um material compósito de matriz polimérica, por exemplo, um material polimérico reforçado com fibras. Em alguns exemplos, a estrutura de pré-carga pode compreender um ou mais materiais escolhidos entre: metais, ligas (com ou sem reforço de fibras), polímeros reforçados com fibras ou resinas reforçadas com fibras.

[0032] O ângulo do cone pode ser selecionado de acordo com a finalidade desejada da haste, por exemplo, as cargas esperadas a serem transferidas através da junta e se a junta é para carregamento predominantemente axial, predominantemente carga de torque ou uma mistura de ambos. No entanto, geralmente um ângulo mais estreito do cone (em relação ao eixo da haste) resultará em um maior engate de fricção que resulta em uma junta mais forte. Em alguns exemplos preferidos, o cone está em um ângulo com o eixo da haste não superior a 20 graus, preferencialmente não superior a 15 graus, mais preferencialmente não mais de 10 graus, mais preferencialmente ainda não superior a 7 graus.

[0033] Em outros exemplos, na referida região de interface, as fibras da referida haste compósita podem ser inclinadas em relação ao eixo da haste de modo que seguem um trajeto com um componente radial e tenham sido cortadas de modo a expor as extremidades dos referidos filamentos na referida região de interface e em que a referida haste é um tubo oco e a referida estrutura de pré-carga é fornecida dentro do tubo oco.

[0034] A angulação das fibras na região da interface seguida de corte ou moagem para expor as extremidades da fibra garante que todas ou a maioria das camadas das fibras helicoidais que formam a haste estão envolvidas com o acessório de extremidade, garantindo assim um ótimo compartilhamento de carga de forças entre o acessório de extremidade e a haste. A distribuição das forças aplicadas em mais fibras, em particular através de mais camadas de fibras da haste aumenta a força da junta.

[0035] A região de interface da haste pode compreender uma rampa que aumenta a espessura na direção axial da haste em direção à extremidade da haste e as fibras de enrolamento helicoidal são enroladas sobre a referida rampa. A rampa pode ser formada a partir de qualquer material. Em alguns exemplos, a rampa pode ser formada a partir de polímeros, resinas, metais, ligas; com ou sem reforço de fibra. No caso de uma rampa de aro enrolado, as fibras de aro enrolado podem ser facilmente enroladas de modo a acumular com precisão o perfil da rampa no gradiente desejado, formando uma forma de cunha cônica com sua parte mais grossa na borda da haste. Durante a formação da haste, a seção de aro pode ser formada primeiro em um mandril. O resto da haste é então formado usando fibras de enrolamento helicoidal como normal, mas na região da parte da rampa, as fibras são redirecionadas radialmente para fora, de modo a se espalharem para fora em direção à extremidade da haste. Depois que a haste foi construída até uma espessura desejada, a extremidade (acima da rampa de aro enrolado) será mais espessa do que o meio da haste. Esta seção mais espessa é então moída até um diâmetro semelhante ao resto da haste. Como as fibras nesta região não são paralelas a haste, a etapa de moagem (ou mais geralmente qualquer processo de remoção de material) expõe as extremidades das fibras de muitas camadas diferentes da haste compósita. Quando o acessório de extremidade está encaixado para sobrepor esta região de interface, o acessório de extremidade se envolve com todas essas camadas e, portanto, compartilha sua transmissão de carga entre todas essas camadas, em vez de concentrar a carga em um número menor de camadas de superfície. Preferencialmente, as fibras de enrolamento helicoidal sobre a rampa foram cortadas ou trituradas paralelamente ao eixo da haste para expor as extremidades das fibras e formar a região da interface.

[0036] De acordo com um aspecto adicional desta divulgação, é proporcionado um método de montagem de um acessório de extremidade em uma região de interface de uma haste compósita compreendendo: montagem do referido acessório de extremidade na referida região de interface e montagem subsequente de uma estrutura de pré-carga na haste compósita em um ajuste de interferência com a haste compósita, de forma que a haste compósita esteja encaixada entre o acessório de extremidade e a estrutura de pré-carga.

[0037] Conforme discutido acima, a montagem da estrutura de pré- carga após a montagem do acessório de extremidade resulta em uma junta mais forte, permitindo uma redução de peso devido à força reduzida para a montagem do acessório de extremidade.

[0038] Os atributos preferenciais descritos acima em relação a estrutura da junta se aplicam igualmente a este método. Particularmente, o ajuste de interferência entre a estrutura de pré-carga e a haste compósita pode ser de pelo menos 80 mícrons, de preferência pelo menos 100 mícrons, mais preferencialmente pelo menos 150 mícrons.

[0039] Preferencialmente, o acessório de extremidade compreende uma superfície dentada com uma rosca helicoidal; e o método compreende o aparafusamento do referido acessório de extremidade sobre a referida haste enquanto o acessório de extremidade é acionado axialmente a uma velocidade igual a um passo de rosca por rotação. Isso novamente minimiza as forças envolvidas no processo de montagem do acessório de extremidade a haste.

[0040] A montagem da estrutura de pré-carga preferencialmente aumenta a força de atrito entre a haste compósita e o acessório de extremidade a um nível maior do que a força friccional que surgiu da montagem do acessório de extremidade na haste.

[0041] A haste compósita descrito acima pode atuar como um bastão atuador ou outro componente de transmissão de força. Será apreciado que a junta descrita neste documento pode ser usada em uma ampla faixa de aplicações, onde quer que os elementos de tensão/compressão ou os elementos de transmissão de torque possam ser usados. Alguns exemplos de aplicações incluem aplicações aeroespaciais como hastes de pistão, suportes, atuadores de controle, etc. Outras aplicações incluem hastes de transmissão ou atuadores para transmissão de torque.

[0042] Será apreciado que, como parte do processo de formação de um produto acabado, deve ser proporcionado um material de matriz tal como resina em torno das fibras. Isto pode ser conseguido de qualquer das maneiras usuais, tal como puxando as fibras através de um banho de resina durante a colocação da fibra ou por injeção de resina nas fibras e no mandril enrolados após o processo de enrolamento.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0043] Um ou mais exemplos não limitantes serão agora descritos, com fins exclusivamente exemplificativos e com referência às figuras anexas em que:

[0044] A Fig. 1 ilustra uma haste compósita oca com um acessório de extremidade montado na superfície externa e uma estrutura de pré-carga montada na superfície interna; A Fig. 2 mostra um detalhe ampliado dos dentes mostrados na Fig. 1; A Fig. 3 ilustra uma haste compósita oca com um acessório de extremidade montado na superfície interna e uma estrutura de pré-carga montada na superfície externa; A Fig. 4 ilustra a montagem de um acessório de extremidade em uma haste; A Fig. 5 mostra uma rampa em corte transversal para expor extremidades de fibra em uma região de interface; A Fig. 6 mostra um ajuste de interferência em escala ampliada; e A Fig. 7 mostra uma seção transversal de uma junta para cargas de torção.

[0045] A Fig. 1 mostra uma seção transversal através de uma haste compósita 1 com um acessório de extremidade metálico 2 montado na sua extremidade. A haste compósita é um cilindro oco, mas, por simplicidade, apenas uma metade é mostrada, juntamente com o eixo 3 da haste 1, indicando a linha central do cilindro. Na Fig. 1, o acessório de extremidade 2 é montado sobre a superfície externa 4 da haste compósita 1 e está ligado a mesma pelos dentes 5. Os dentes 5 são formados no acessório de extremidade 2 como uma rosca helicoidal (que pode ser uma rosca única ou uma rosca de partida múltipla). Os dentes 5 cortam na superfície externa 4 da haste compósita 1 conforme o acessório de extremidade 2 é enroscado na haste 1 no conjunto. Os dentes 5 comprimem a haste compósita neste processo, aumentando a força de fricção entre os dentes 5 e a haste 1.

[0046] Também ilustrada na Fig. 1 está uma estrutura de pré-carga 6 na forma de um cilindro de material rígido relativo que é dimensionado de modo que seu diâmetro externo seja ligeiramente maior do que o diâmetro interno da haste compósita 1 e, portanto, quando é pressionado na haste 1, forma um ajuste de interferência entre os dois componentes. Este ajuste de interferência provoca deslocamento (por exemplo, movimento ou compressão radialmente para fora) da haste compósita 1 na região do ajuste de interferência, que por sua vez pressiona a superfície externa da haste 1 de um jeito mais duro contra os dentes 5, aumentando assim a força de fricção contra entre a haste compósita 1 e o acessório de extremidade 2. Esta força de engate aumentada reduz o atrito axial que de outra forma pode ocorrer após a aplicação repetida de cargas axiais através da junta entre a haste compósita 1 e o acessório de extremidade 2. Essa redução no atrito melhora a força da junta e aumenta sua vida útil.

[0047] Uma vista ampliada dos dentes 5 do acessório de extremidade 2 que engata com a haste compósita 1 é mostrada na Fig. 2 (a porção ampliada sendo marcada com a letra A na Fig. 1). Como pode ser visto na Fig. 2, os dentes 5 são concebidos para engatar com a haste 1 de modo que uma pequena folga 12 é proporcionada acima da superfície externa 4 da haste compósita entre os dentes adjacentes 5. Esta folga 12 proporciona espaço para o material que é cortado ou deslocado pelo corte da haste 1 que ocorre durante a montagem. Também pode ser visto na Fig. 2 que não há porções de região plana entre os dentes adjacentes 5 para proporcionar fricção aumentada. A estrutura de pré-carga 6 permite que tais superfícies geradoras de fricção adicionais sejam omitidas, permitindo assim que o acessório de extremidade 2 seja mais curto e, portanto, mais leve e menos dispendioso. A ausência de regiões planas entre os dentes reduz o acúmulo de calor que de outra forma ocorreria devido ao aumento da fricção à medida que a haste 1 e o acessório de extremidade 2 se encaixam sobre um comprimento mais longo em direção ao final do processo de montagem.

[0048] A Fig. 3 é semelhante à Fig. 1, mas mostra um acessório de extremidade 2 que está ligado ao diâmetro interno 7 da haste compósita oca 1. Além disso, enquanto a Fig. 1 mostra uma haste cilíndrica 1 e um acessório de extremidade cilíndrico 2, a Fig. 3 mostra uma haste cônica 1 e um acessório de extremidade cônico correspondente 2. O cone permite o engate dos dois componentes 1, 2 a ser realizado com um número reduzido de voltas e, portanto, uma redução do calor causada pelo atrito que, de outra forma, poderia comprometer o material compósito, reduzindo sua força. Na Fig. 3, quando o acessório de extremidade 2 é aplicado à superfície interna 7 da haste compósita 1, a estrutura de pré-carga 6 é formada como um anel oco que rodeia a haste 1, que engata com sua superfície externa 4. Novamente, a estrutura de pré-carga 6 é formada para encaixar com a haste 1 em um ajuste de interferência, embora nesta disposição o diâmetro interno da estrutura de pré-carga 6 seja formado um pouco menor que o diâmetro externo da haste compósita 1 de modo que a haste compósita 1 seja esmagada ou deslocada para dentro por aplicação da estrutura de pré-carga.

[0049] A diferença de dimensões, d entre a haste 1 e a estrutura de pré-carga 6 dependerá da junta, dos materiais e da aplicação determinados, entre outros fatores. A diferença d é mostrada na Fig. 6 que é uma vista altamente ampliada de uma estrutura de pré-carga anular 6 tal como a mostrada na Fig. 3.

[0050] A Fig. 4 ilustra a montagem de um acessório de extremidade 2 em uma haste compósita oca 1 como é ilustrada na Fig. 1. Primeiro o acessório de extremidade 2 está ligado à superfície externa da haste compósita 1, por exemplo, aparafusando-a de modo que os dentes 5 (não visíveis na Fig. 4) cortam a superfície externa 4 da haste 1. Em seguida, após o acessório de extremidade 2 ter sido aplicado na superfície externa 4 da haste 1, a estrutura de pré-carga 6 é pressionada no interior da haste oca 1 de modo a engatar com a superfície interna 7 da haste oca 1 em um ajuste de interferência, pressionando o material compósito da haste 1 mais firmemente contra a superfície interna do acessório de extremidade 2.

[0051] A Fig. 5 mostra, em uma seção transversal, um exemplo de como as fibras 8 na haste compósita 1 podem ser anguladas para a superfície externa 4 da haste 1 em uma região de interface 9, proporcionando uma estrutura 10 de rampa em torno da qual as fibras 8 são enroladas durante a formação da haste compósita 1. A rampa 10 desvia as fibras 8 radialmente para fora. Após a cura da haste 1, a área acima da rampa 10 é moída até o nível do resto da haste, expondo assim as extremidades das fibras 8 na região de interface 9. Como pode ser visto na Fig. 5, quando um acessório de extremidade 2 está ligado a esta região de interface 9, o acessório de extremidade engata com um maior número de camadas de fibras 8 em vez de apenas as camadas de superfície, melhorando assim as propriedades de força e transmissão de carga da junta.

[0052] Enquanto as juntas ilustradas nas Figs. 1 e 3 são otimizadas para cargas axiais (à medida que os dentes correm essencialmente perpendiculares a tais cargas), a Fig. 7 ilustra que os dentes 5 podem ser igualmente formados como estrias axiais em vez de dentes helicoidais, otimizando assim a junção para cargas de torção conforme indicado pelas setas 11. A Fig. 7 mostra uma seção transversal de uma junta entre uma haste compósita 1 e um acessório de extremidade 2 com os dentes 5 na forma de estrias axiais. A seção transversal é tomada perpendicular em relação ao eixo 3 da haste 1.

[0053] Em particular, os dentes 5 mostrados na Fig. 7 são ilustrados com um perfil de dentes de ângulo baixo. O ângulo baixo significa que as superfícies dos dentes 5 são mais próximas a paralelo com a superfície externa da haste 1, de modo que a força de fricção adicional gerada pelo ajuste de interferência da estrutura de pré-carga 6 tem um componente grande paralelo à superfície da haste 4 para resistir ao movimento entre a haste 1 e o acessório de extremidade 2. Esse perfil de dente de ângulo baixo também pode ser usado nos exemplos ilustrados nas Figs. 1 e 3 também. De acordo com a Fig. 2, é proporcionada uma folga 12 entre os dentes adjacentes 5 para coletar o material cortado ou deslocado.

Claims (15)

1. Haste compósita (1), compreendendo um acessório de extremidade (2) montado em uma região de interface (9) em pelo menos uma extremidade da haste (1) e uma estrutura de pré-carga (6) disposta para fornecer uma força enviesante para enviesar a haste compósita (1) contra o acessório de extremidade (2); em que a estrutura de pré-carga (6) está em ajuste de interferência (d) com a haste compósita (1); e caracterizado pelo fato de que o acessório de extremidade (2) compreende uma superfície dentada compreendendo pelo menos um dente (5) formado como uma rosca helicoidal engatada na região de interface (9).

2. Haste compósita (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o ajuste de interferência (d) entre a estrutura de pré-carga (6) e a haste compósita (1) é de pelo menos 80 mícrons.

3. Haste compósita (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o acessório de extremidade (2) compreende ainda dentes (5) que se encaixam com a haste compósita (1).

4. Haste compósita (1) de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que um perfil de dente feito perpendicular aos dentes (5) compreende porções de região não plana em contato de fricção com a haste (1).

5. Haste compósita (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a estrutura de pré-carga (6) está disposta para aumentar a fricção entre a haste compósita (1) e o acessório de extremidade (2) a um nível maior do que a fricção resultante da montagem do acessório de extremidade (2) na haste (1).

6. Haste compósita (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que na região de interface (9) a haste (1) é afunilada; e em que o acessório de extremidade (2) compreende uma superfície com um cone correspondente, a superfície engatando com a região de interface (9).

7. Haste compósita (1) de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a haste (1) é um tubo oco, em que o cone é formado na parte externa da haste (1) e em que a estrutura de pré-carga (6) é proporcionada dentro do tubo oco.

8. Haste compósita (1) de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a haste (1) é um tubo oco, em que o cone é formado no interior (7) da haste (1) e em que a estrutura de pré-carga (6) é fornecida no exterior da haste (1).

9. Haste compósita (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizada pelo fato de que o cone está em um ângulo com o eixo geométrico (3) da haste menor ou igual a 20 graus.

10. Haste compósita (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que na região de interface (9), fibras (8) da haste compósita (1) são anguladas em relação ao eixo geométrico (3) da haste de modo que seguem um trajeto com um componente radial e tenham sido cortadas de modo a expor as extremidades das fibras (8) na região de interface (9) e em que a haste (1) é um tubo oco e a estrutura de pré- carga (6) é fornecida dentro do tubo oco.

11. Haste compósita (1) de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a região de interface (9) da haste (1) compreende uma rampa (10) que aumenta a espessura na direção axial da haste (1) em direção à extremidade da haste (1) e as fibras de enrolamento helicoidal (8) são enroladas sobre a rampa (10).

12. Método para montagem de um acessório de extremidade (2) em uma região de interface (9) de uma haste compósita (1), compreendendo: montar o acessório de extremidade (2) na região de interface (9) e montar subsequente uma estrutura de pré-carga (6) na haste compósita (1) em um ajuste de interferência (d) com a haste compósita (1), de forma que a haste compósita (1) esteja encaixada entre o acessório de extremidade (2) e a estrutura de pré-carga (6); e caracterizado pelo fato de que: o acessório de extremidade (2) compreende uma superfície dentada compreendendo pelo menos um dente (5) formado como uma rosca helicoidal; e o método compreende rosquear o acessório de extremidade (2) engatada na haste (1).

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o ajuste de interferência (d) entre a estrutura de pré-carga (6) e a haste compósita (1) é de pelo menos 80 mícrons.

14. Método de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que: o método compreende enroscar o acessório de extremidade (2) sobre a haste (1) enquanto o acessório de extremidade (2) é acionado axialmente a uma velocidade igual a um passo de rosca por rotação.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato de que montagem da estrutura de pré-carga (6) aumenta a força de atrito entre a haste compósita (1) e o acessório de extremidade (2) a um nível maior do que a força friccional que surgiu da montagem do acessório de extremidade (2) na haste (1).