BR102022009676A2

BR102022009676A2 - Conjunto de fuso de esferas, e, sistema de atuação de reversor de empuxo

Info

Publication number: BR102022009676A2
Application number: BR102022009676-7A
Authority: BR
Inventors: Stephen Harlow Davies
Original assignee: Goodrich Actuation Systems Limited
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2022-12-06
Also published as: US20220373065A1; CA3155151A1; EP4095415A1; US11703111B2

Abstract

Um conjunto de fuso de esferas que compreende: um eixo de fuso (1) ao longo do qual é formada uma primeira ranhura helicoidal (3); uma porca (2) ao longo da qual é formada uma segunda ranhura helicoidal (3’); a primeira ranhura helicoidal e a segunda ranhura helicoidal cooperando para definir um trilho (3, 3’); uma pluralidade de esferas (4) dispostas no trilho e configuradas para se mover ao longo do trilho em resposta ao movimento relativo entre o eixo de fuso e a porca de modo que o movimento rotacional do fuso seja transladado para o movimento linear da porca através das esferas e vice-versa; e compreendendo ainda: uma sapata de desvio (7) disposta entre a porca e o trilho e separada do trilho por uma pré-carga predeterminada X, em que quando uma carga aplicada à porca exceder a pré-carga predeterminada, a sapata de desvio engatará com o trilho de modo que o movimento do fuso seja transferido para o movimento da porca através da sapata e desvia as esferas.

Description

CONJUNTO DE FUSO DE ESFERAS, E, SISTEMA DE ATUAÇÃO DE REVERSOR DE EMPUXO

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente divulgação se refere a um conjunto de fuso de esferas.

FUNDAMENTOS

[002] Os fusos de esferas são usados em muitas aplicações para transladar o movimento rotativo, por exemplo, de um motor, para o movimento linear para uma carga ou de empuxo para torque e vice-versa. Um conjunto de fuso de esferas consiste em um fuso e uma porca, cada um com ranhuras helicoidais correspondentes, e esferas que rolam entre as ranhuras proporcionando contato entre a porca e o fuso de modo que as esferas transmitam a carga da parte rotativa para a outra parte. À medida que o fuso ou a porca gira em relação à outra parte, as esferas rolam ao longo das ranhuras, causando movimento linear da outra parte. A porca é fornecida com um caminho de retorno para as esferas recircularem.

[003] A adequação de um fuso de esferas específico a uma aplicação é determinada, pelo menos em parte, por sua capacidade de carga. Os conjuntos de rolamentos de esferas para fusos de esferas têm uma classificação de carga estática que é a carga que, quando aplicada à esfera não rotativa, resultaria em uma deformação permanente predeterminada do conjunto de trilhos de esferas como 0,0001Dw, onde Dw é o diâmetro da esfera, pois este é um grau de deformação que foi determinado como suscetível de causar danos aos componentes do fuso de esferas. Ao selecionar um fuso de esferas para uma determinada aplicação, a carga máxima que provavelmente experimentará deve ser determinada e um projeto com uma classificação de carga estática adequada será selecionado.

[004] A capacidade de carga estática é, de acordo com os padrões industriais, um fator da dureza do material do trilho de esferas.

[005] Quando se sabe, portanto, que a força aplicada ao fuso de esferas será alta, um fuso de esferas com uma capacidade de carga estática suficientemente alta precisará ser selecionado e isso geralmente exigirá que as trilhas sejam feitas de um material duro. Tais materiais são caros.

[006] Em algumas aplcações, como será discutido mais abaixo, como em um Sistema de Atuação do Reversor de Impulso (Thrust Reverser Actuation System, TRAS) de uma aeronave, fuso de esferas são usados para mover a superfície atuada. Embora a força no atuador esteja geralmente dentro de uma determinada faixa, em um evento de falha, essa força pode aumentar significativamente. Embora tais eventos sejam raros ou possam nunca acontecer, os componentes do sistema atuador devem ser projetados para um cenário tão pior quanto estes são sistemas críticos de segurança. Isso significa que um fuso de esferas deve ser selecionado que tenha uma capacidade de carga estática apropriada para lidar com a alta força de falha, embora na maior parte do tempo uma força “normal” muito menor seja aplicada para a qual um fuso de esferas com uma capacidade muito menor seria suficiente. Os fusos de esferas com capacidade de nível de falha devem ser feitos de material muito duro para atingir essa capacidade e, portanto, são muito mais caros do que seriam necessários para condições normais de operação. Os fusos de esferas para aplicações aeroespaciais são normalmente projetados de acordo com o padrão da indústria - atualmente ISO 3408-1, que define métodos para determinar a vida operacional e a capacidade de carga estática. A norma geralmente significa que as mesmas considerações são dadas ao projeto do fuso de esferas em todas as aplicações aeroespaciais, de modo que, por exemplo, os fusos de esferas em TRAS sejam projetados usando as mesmas considerações que os fusos de esferas para controles de voo primários, etc. Na realidade, porém, os requisitos para essas diferentes aplicações são diferentes e é concebível que, por exemplo, fusos de esferas TRAS possam ser projetados com diferentes considerações em mente.

[007] Há uma necessidade de um conjunto de fuso de esferas que possa acomodar altas forças, se necessário, sem ter que ser projetado com um material de dureza suficiente para atingir a capacidade de carga estática para tais altas forças, de modo a reduzir custos e complexidade de projeto para componentes em ambientes onde a força de operação normal é substancialmente menor do que uma força alta ocasional, por exemplo, uma força de falha, tal como em um TRAS.

SUMÁRIO

[008] A presente divulgação fornece um conjunto de fuso de esferas que é projetado para reduzir efetivamente a capacidade de carga estática necessária dos componentes do fuso de esferas, permitindo, assim, que materiais menos duros sejam usados sem comprometer a segurança e a eficácia e garantindo ainda a vida útil adequada do componente.

[009] De acordo com um aspecto, é fornecido um conjunto de fuso de esferas compreendendo: um eixo de fuso ao longo do qual é formada uma primeira ranhura helicoidal; uma porca ao longo da qual é formada uma segunda ranhura helicoidal; a primeira ranhura helicoidal e a segunda ranhura helicoidal cooperando para definir um trilho; uma pluralidade de esferas dispostas no trilho e configuradas para se mover ao longo do trilho em resposta ao movimento relativo entre o eixo do fuso e a porca de modo que o movimento de rotação do fuso seja transladado para o movimento linear da porca através das esferas e vice-versa; e compreendendo ainda: uma sapata de desvio disposta entre a porca e o trilho e espaçada do trilho por uma pré-carga predeterminada X, em que quando uma carga aplicada à porca exceder a pré-carga predeterminada, a sapata de desvio engatará no trilho de modo que o movimento do fuso seja transferido para o movimento da porca através da sapata e contorna as esferas.

[0010] De acordo com outro aspecto, é provido um TRAS tendo tal conjunto de fuso de esferas para mover a(s) superfície(s) acionada(s).

BREVE DESCRIÇÃO DAS EIGURAS

[0011] A Figura lA mostra, somente por meio de fundamentos e exemplo, um gráfico de carga para as forças que atuam em um atuador externo TRAS.

[0012] A Figura 1B mostra, a título de fundo e apenas de exemplo, um gráfico de carga para as forças que atuam em um atuador central TRAS.

[0013] A Figura 1C mostra, somente por meio de fundamentos e exemplo, um gráfico de probabilidade de carga para as forças que atuam em um atuador externo TRAS.

[0014] A Figura 1D mostra, a título de fundo e apenas de exemplo, um gráfico de probabilidade de carga para as forças que atuam em um atuador central TRAS.

[0015] A Figura 2 é uma vista esquemática lateral de um conjunto de fuso de esferas de acordo com a divulgação sob condições normais de carga.

[0016] A Figura 3 é uma vista esquemática lateral de um conjunto de parafuso esférico de acordo com a divulgação sob condições de alta carga.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0017] Com referência às Figs 1Α - 1D, e apenas a título de explicação de fundo, pode ser visto que apenas uma parte muito pequena das forças atua no atuador durante a maior parte do tempo de operação - isto é, durante a operação normal (representada como NLD - implantação de pouso normal (Normal Landing Deployment)). Portanto, na maioria das vezes, o fuso de esferas só precisa lidar com uma carga relativamente pequena que atua em seus componentes. Forças altas são raras. No exemplo mostrado, a força NLD está na região de 4000N. A carga máxima de falha é cerca de 13 vezes maior, mas raramente ou nunca ocorre.

[0018] No entanto, como essas altas forças podem ocorrer, o fuso de esferas precisa ser projetado para lidar com elas se/quando elas ocorrerem. Por esta razão, os fusos de esferas são projetados com materiais duros o suficiente para fornecer a capacidade de carga estática necessária para tais cargas. Tais materiais, por exemplo, Chronidur 30 ou ligas martensíticas com alto teor de cromo são geralmente muito caros.

[0019] A vida útil dos trilhos de fuso de esferas também é um fator de projeto importante. De acordo com a ISO 3408-1, a vida útil do parafuso esférico com 95% de confiabilidade, L5, é derivada usando a seguinte equação:
L5 = (Cdm / Peq)3 * fr
Onde:
Peq é uma carga equivalente
Cdm = capacidade dinâmica modificada
fr = fator de correção para confiabilidade (para 95% de probabilidade)
E Cdm = fk * fa * fm * Cd
Onde:
fk = (Dureza da Pista/654Hv)2
fa = fator de correção para precisão
fm = fator corretivo para material
Cd = capacidade dinâmica

[0020] Pode ser visto, portanto, que a vida útil do fuso de esferas é uma função do quadrado do quociente de dureza.

[0021] Além disso, de acordo com a ISO 3408-1, a capacidade de carga estática Coam do fuso de esferas é derivada usando a equação:
Coam = Coa * fho * fa
Onde fho = (Dureza de Trilha/654Hv)3

[0022] Aqui, novamente, pode-se ver que a capacidade de carga estática é uma função do cubo do quociente de dureza.

[0023] Usando a estratégia de projeto atual, pode-se ver que a dureza do trilho é o fator dominante na determinação da vida útil e da capacidade de carga estática e que os fusos de esferas precisam ser feitos de materiais muito duros e caros para o evento raro em que ocorre uma alta força de falha e que materiais menos duros e, portanto, menos caros forneceriam capacidade de carga estática suficiente e vida útil adequada para a maioria da operação.

[0024] A solução fornecida por esta divulgação permite que os fusos de esferas sejam usados nessas mesmas aplicações, mas sejam feitos usando materiais menos duros, menos caros e custos de produção mais baixos.

[0025] O fuso de esferas de acordo com esta divulgação é projetado de modo que uma carga estática que exceda um limite predeterminado, com base nas cargas dinâmicas operacionais normais com uma margem de erro fatorada, efetivamente contorne o trilho de esfera de modo que os trilhos de parafuso esférico e as esferas só precisem ser projetadas para lidar com cargas estáticas até o limite predeterminado.

[0026] Em um exemplo, o limite predeterminado pode ser, digamos, 1,2 vezes a carga dinâmica operacional normal máxima, em vez do fator convencional 13 ou mais mencionado acima. Esse projeto permitiria uma redução significativa nos requisitos de dureza de trilho.

[0027] Além disso, dependendo da aplicação, a margem de vida útil alvo de segurança pode ser menor do que a atualmente projetada, uma vez que nem todas as aplicações de fuso de esferas exigirão as margens atualmente incorporadas ao projeto de todos os fusos de esferas. Em aplicações aeroespaciais, por exemplo, atuadores TRAS não requerem as altas margens de vida que são atualmente projetadas em fusos de esferas para, por exemplo, fusos de esferas de atuador de controle primário.

[0028] De uma perspectiva de vida de resistência, de acordo com esta divulgação, é possível especificar uma margem de vida apropriada de segurança para a aplicação específica e, a partir disso, derivar o requisito de dureza mínima para atingir essa margem, a partir das equações acima.

[0029] Como o conjunto desta divulgação incorpora uma função de desvio para cargas mais altas, o desgaste nos componentes será menor e isso se baseia nas margens e cálculos de vida necessários.

[0030] A função de desvio de acordo com esta divulgação será agora descrita em mais detalhes com referência às Figs 2 e 3.

[0031] A função de desvio é fornecida, de acordo com a divulgação, introduzindo um sistema de pré-carregamento entre o cartucho de porca de fuso de esferas e onde o cartucho se fixa a um atuador.

[0032] Com referência à Fig. 2, um arranjo de fuso de esfera é mostrado sob condições normais de operação de carga.

[0033] Como nos sistemas convencionais, o fuso de esferas compreende um fuso ou eixo 1 e uma porca 2. A porca 2 e o eixo de fuso 1 são fornecidos com ranhuras ou espiras helicoidais opostas 3, 3’ atuando como um trilho de esfera para esferas 4 dispostas no mesmo. A rotação do fuso 1 em relação à porca 2 faz com que as esferas 4 se movam ao longo das ranhuras helicoidais que acionam a porca axialmente ou linearmente ao longo do fuso. A porca inclui um cartucho através do qual as esferas 4 retornam ao início das ranhuras. O cartucho de porca 2’ é fornecido com um compartimento de fixação 5 que se liga à carga a ser movida, por exemplo, a um atuador (não mostrado). Uma carga é aplicada ao fuso de esferas pelo atuador.

[0034] Para fornecer a função de desvio de carga quando a carga excede um limite predeterminado X, uma sapata de desvio 6 é fornecida entre o compartimento de porca 5 e a porca 2. A sapata de desvio 6 fica na ranhura 3 do fuso 1 com uma pequena folga 7 de, por exemplo, aproximadamente 0,10 mm. A porca 2 é pré-carregada no compartimento 5 na carga X. X é selecionada para incluir a carga máxima de operação normal mais uma margem predeterminada. X pode ser, por exemplo, 1,2 vezes a carga máxima de operação normal.

[0035] Assim, durante a operação normal, desde que a carga não exceda X - isto é, para todas as cargas dinâmicas que ocorram normalmente -a sapata de desvio 7 é separada da ranhura do fuso e o torque é transmitido do fuso 1 para a porca 2 através das esferas 4 da maneira usual.

[0036] Se, no entanto, a carga exceder o valor X, como mostrado na Fig. 3, a porca superará a pré-carga e se moverá de modo que a sapata 7 engate com a ranhura 3 no fuso. A aplicação da carga que excede o valor X é então transferida para o alojamento da porca 5 através do mostrador de desvio 7, ignorando, assim, as esferas 4.

[0037] A função de desvio pode ser projetada para ser unidirecional ou bidirecional.

[0038] Além de significar que os componentes do fuso de esfera não precisam ser projetados com capacidade para cargas de falha excessivas, de modo que materiais menos duros, por exemplo, AMS 5659 (15-5PH), possam ser usados, o recurso de desvio tem um benefício adicional. A função de desvio converte efetivamente o fuso esférico em um fuso de avanço quando a carga limite for excedida. Nesta fase, a eficiência de acionamento do atuador é reduzida, o que significa que os limitadores de carga mecânicos convencionais não são necessários. Isso também contribui para reduzir o custo, o tamanho e o peso do conjunto.

[0039] Além de serem menos dispendiosos, os materiais menos duros significam que os trilhos de parafuso esférico podem ser formados por operações de giro simples, em vez de exigir processos especiais de esmerilhamento.

[0040] Como uma alternativa para aproveitar a oportunidade de usar materiais menos duros, a função de desvio também pode ser usada para reduzir o número de esferas no fuso de esferas, o que tem o efeito de aumentar a eficiência, bem como reduzir os custos.

[0041] A função de desvio tem benefícios particulares em relação às aplicações TRAS, mas o projeto desta divulgação não está limitado a tais aplicações e pode fornecer vantagens em muitas aplicações de fuso de esferas.

Claims

Conjunto de fuso de esferas, caracterizado pelo fato de que compreende:
um eixo de fuso (1) ao longo do qual é formada uma primeira ranhura helicoidal (3);
uma porca (2) ao longo da qual é formada uma segunda ranhura helicoidal (3’);
a primeira ranhura helicoidal e a segunda ranhura helicoidal cooperando para definir um trilho (3, 3’);
uma pluralidade de esferas (4) dispostas no trilho e configuradas para se mover ao longo do trilho em resposta ao movimento relativo entre o eixo de fuso e a porca, de modo que o movimento de rotação do fuso seja transladado para o movimento linear da porca através das esferas e vice-versa; e compreendendo ainda:
uma sapata de desvio (7) disposta entre a porca e o trilho e separada do trilho por uma pré-carga predeterminada X, em que quando uma carga aplicada à porca exceder a pré-carga predeterminada, a sapata de desvio engatará no trilho de modo que o movimento do fuso seja transferido para o movimento da porca através da sapata e ignore as esferas.
Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pré-carga predeterminada X é um valor selecionado com base em perfis de carga operacional.
Conjunto de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pré-carga predeterminada X é selecionada como sendo igual à carga dinâmica operacional normal máxima para o fuso de esferas mais uma margem de erro predeterminada.
Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um canal de retorno de esfera para circular as esferas continuamente através do conjunto responsivo ao movimento relativo entre o eixo de fuso e a porca.
Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a porca é alojada em um cartucho de porca e em que o cartucho de porca é fornecido com meios para fixação a uma carga a ser movida pelo conjunto.
Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a sapata de desvio (7) é separada do trilho por uma distância na ordem de 0,1 a 0,5 mm.
Conjunto de acordo com qualquer reivindicação predeterminada, caracterizado pelo fato de que a sapata de desvio (7) é responsiva ao movimento relativo em uma única direção.
Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a sapata de desvio (7) é responsiva ao movimento relativo em duas direções.
Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda ranhuras helicoidais são feitas de AMS 5659 (15-5PH)
Sistema de Atuação de Reversor de Empuxo, TRAS, caracterizado pelo fato de que compreende uma superfície a ser atuada e um atuador compreendendo um conjunto de fuso de esferas como reivindicado em qualquer reivindicação anterior, disposto para mover a superfície responsiva ao movimento relativo entre o eixo de fuso e a porca.