ES2269522T3 - Procedimiento de ensamblaje optimizado de dos piezas sensiblemente planas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de ensamblaje de dos piezas (10, 12) sensiblemente planas, por medio de al menos una línea extrema de órganos de fijación (14), destinados a transmitir esfuerzos determinados entre las citadas piezas (10, 12), orientados en el plano de las piezas, caracterizado porque consiste en calcular al menos una relación R entre las tensiones de tracción sigmaT y de flexión sigmaF correspondiente a los citados esfuerzos, y en orientar la citada línea extrema de órganos de fijación (14) según un ángulo alfa con relación a la dirección de la fibra neutra de las citadas piezas (10, 12), siendo el valor absoluto de dicho ángulo alfa tal que: alfamin < |alfa| < alfamax, con alfamin = 10, 8 ln(R) + 16 y alfamax = 13, 9 ln(R) + 28 cuando la relación R es al menos igual a 1, y con alfamin = 16 y alfamax = 28 cuando la relación R es inferior a 1, siendo el valor absoluto del ángulo alfa a lo sumo igual a 90º.

Description

Procedimiento de ensamblaje optimizado de dos piezas sensiblemente planas.

Campo técnico

La invención se refiere a un procedimiento de ensamblaje de dos piezas planas o sensiblemente planas, tales como placas o elementos de piezas perfiladas, por medio de órganos de fijación del tipo de los pernos, remaches, etc.

De manera más precisa, la invención se refiere al ensamblaje optimizado de dos piezas concebidas para soportar y transmitir esfuerzos predeterminados, uniformes o variables en el tiempo, que pueden ser diferentes de un montaje a otro.

El procedimiento según la invención se aplica a todos los ensamblajes de piezas sensiblemente planas, tanto si son metálicas como si son de materiales compuestos, que utilizan órganos de fijación tales como remaches o pernos.
Éste encuentra una utilización particularmente ventajosa en el campo de la aeronáutica, en el que se utiliza este tipo de ensamblaje.

Estado de la técnica

En una aeronave, el ensamblaje empernado o remachado, constituye el modo de ensamblaje más utilizado. Así, un avión de transporte de pasajeros o de carga, incluye más de un millón de remaches y casi 300.000 pernos.

En los montajes de este tipo, los órganos de fijación cumplen a la vez las funciones de transferencia de esfuerzos, estanquidad y transmisión de corrientes de electricidad estática y del rayo.

La concepción de ensamblajes por medio de pernos y por medio de remaches, es vital para el comportamiento del conjunto de la estructura de una aeronave. En efecto, una mala concepción entrañaría una duración de vida limitada y excesos de masa.

En el estado actual de la técnica, el posicionamiento de los remaches y de los pernos se efectúa según costumbres propias de cada constructor de aeronaves, sin hacer verdaderamente referencia a una metodología particular.

La Patente US-A-6 105 902 describe un procedimiento de fabricación de fuselaje de aeronave, mediante el ensamblaje borde a borde de paneles extruidos que integran nervaduras de refuerzo. De manera más precisa, los bordes adyacentes de los paneles se fijan sobre largueros extruidos, con secciones en forma de T, por medio de pares de remaches o de órganos de fijación análogos alineados perpendicularmente con los bordes de los paneles.

La Patente US-A-4 579 475 describe el ensamblaje de dos piezas, una a continuación de otra, de material compuesto, que forman, por ejemplo, el revestimiento de una aeronave. Las dos piezas presentan un mismo espesor en la zona del ensamblaje. Éstas se encuentran unidas por medio de una eclisa cuyo espesor disminuye al alejarse de la línea de unión. Varias filas de pernos atraviesan las piezas y la eclisa, paralelamente a la línea de unión, a diferentes distancias de esta última.

Exposición de la invención

La invención tiene precisamente por objeto un procedimiento de ensamblaje de dos piezas sensiblemente planas, metálicas o de materiales compuestos, que pretende optimizar el posicionamiento de los órganos de fijación utilizados para conectar este conjunto, con el fin de garantizar una duración de vida preconcebida y óptima.

De acuerdo con la invención, este resultado se ha obtenido por medio de un procedimiento de ensamblaje de dos piezas sensiblemente planas, por medio de al menos una línea extrema de órganos de fijación, destinados a transmitir entre las citadas piezas esfuerzos determinados, orientados en el plano de las piezas, caracterizado porque consiste en calcular una relación R entre las tensiones de tracción \sigma_{T} y de flexión \sigma_{F} correspondientes a los citados esfuerzos, y en orientar la citada línea extrema de órganos de fijación según un ángulo \alpha con relación a la dirección de la fibra neutra de las citadas piezas, siendo el valor absoluto de dicho ángulo \alpha tal que: 10,8 ln(R) + 16 < |\alpha| < 13,9 ln(R) + 28 cuando la relación R es al menos igual a 1, y tal que 16 < |\alpha| < 28 cuando la relación R es inferior a 1, siendo el valor absoluto del ángulo \alpha a lo sumo igual a 90º.

La solicitante ha establecido, mediante simulaciones numéricas apoyadas en ensayos, que la realización de la primera línea de órganos de fijación según una orientación a con respecto a la horquilla de valores definidos en lo que antecede, permitiría repartir mejor las tensiones soportadas por cada uno de los citados órganos y, por consiguiente, aumentar la duración de la vida, en cuanto a fatiga y comportamiento estático, de los ensamblajes.

En un modo de realización preferido de la invención, se orienta la línea extrema de órganos de fijación según un ángulo \alpha sensiblemente igual, en valor absoluto, a 11,6 ln(R) + 21 cuando la relación R es al menos igual a 1, y sensiblemente igual a 20º cuando la relación R es inferior a 1.

En caso de que los esfuerzos a transmitir sean esfuerzos alternos, se orienta ventajosamente la línea extrema de órganos de fijación según el ángulo \alpha precitado y según un ángulo -\alpha, a una y otra parte de la fibra neutra de las piezas. El órgano de fijación más delantero se encuentra entonces sobre la fibra neutra.

El procedimiento de ensamblaje según la invención puede ser utilizado también, ya sea cuando las piezas son ensambladas directamente una con la otra, o ya sea cuando son ensambladas por medio de una o de dos eclisas.

En el primer caso, las dos piezas se ensamblan directamente una con la otra por medio de al menos dos líneas extremas de órganos de fijación orientados según el ángulo \alpha.

En el segundo caso, es decir, cuando las dos piezas están ensambladas una con la otra por medio de una eclisa, cada una de las piezas se fija a la eclisa por medio de al menos dos líneas extremas de órganos de fijación. Ventajosamente, estas líneas extremas están entonces orientadas según el ángulo \alpha. Como variante, al menos las líneas extremas más alejadas de la otra pieza, están orientadas según el ángulo \alpha.

En el tercer caso, es decir, cuando las dos piezas están ensambladas una con la otra por medio de dos eclisas, cada una de las piezas se fija a las dos eclisas por medio de al menos dos líneas extremas de órganos de fijación, entre las que al menos la línea extrema más alejada de la otra pieza está orientada según el ángulo \alpha.

La invención se aplica también tanto a piezas que presentan un espesor sensiblemente constante en la zona de ensamblaje como a piezas cuyo espesor disminuye al avanzar hacia sus extremos en la zona precitada.

Breve descripción de los dibujos

Ahora se va a describir, a título de ejemplos no limitativos, diferentes modos de realización de la invención, con referencia a los dibujos anexos, en los que:

La Figura 1 es una vista desde arriba, que representa esquemáticamente un ensamblaje mediante remaches o pernos que hace uso del procedimiento según la invención;

La Figura 2 es una curva que representa la evolución del ángulo \alpha, formado por la primera línea de remaches o de pernos con la fibra neutra de las piezas, en función de la relación R entre la tensión de tracción \sigma_{T} y la tensión de flexión \sigma_{F} de acuerdo con la invención;

Las Figuras 3A a 3D son vistas en perspectiva que ilustran diferentes aplicaciones de la invención a ensamblajes sin eclisa, con una eclisa y con dos eclisas, respectivamente, y

La Figura 4 es una vista desde arriba comparable a la Figura 1, que ilustra el caso particular en que los esfuerzos aplicados sobre el conjunto son esfuerzos alternos.

Descripción detallada de modos de realización preferidos de la invención

Tal y como se ha representado esquemáticamente en la Figura 1, la invención se refiere al ensamblaje de dos piezas 10, 12 por medio de una pluralidad de órganos de fijación 14, constituidos generalmente por remaches o por pernos. Las dos piezas 10 y 12 así ensambladas, pueden estar constituidas por piezas cualesquiera, sensiblemente planas. La expresión "piezas sensiblemente planas" designa aquí, como en el conjunto del texto, piezas tales como placas o elementos de piezas perfiladas que tienen una geometría plana o próxima a un plano.

El procedimiento según la invención se refiere al ensamblaje de piezas 10 y 12 previstas para ser sometidas, en su plano, a esfuerzos o a cargas predeterminadas durante su utilización posterior. Estos esfuerzos pueden ser de diferentes naturalezas según la aplicación a la que se refiera. En particular, los esfuerzos aplicados sobre las piezas pueden ser ondulados y siempre del mismo sentido o alternados (es decir, alternativamente en un sentido, y después en el otro). El caso particular de los esfuerzos alternos será tratado posteriormente con referencia a la Figura 4.

Cualesquiera que sean los esfuerzos que se apliquen sobre las piezas, se puede determinar, en cada caso, una tensión de tracción \sigma_{T} correspondiente al esfuerzo de tracción N (Figura 1) susceptible de ser aplicada entre las piezas según su fibra neutra, y una tensión de flexión s_{F} correspondiente al momento de flexión M_{F} (Figura 1) susceptible de ser aplicada entre las piezas.

Según muestra el perfil de las tensiones que se ha ilustrado en la parte superior de la Figura 1, si se designa mediante \sigma_{G} y \sigma_{D} las tensiones soportadas por cada uno de los lados (respectivamente el izquierdo y el derecho en la Figura) del ensamblaje, la tensión de tracción \sigma_{T} es igual a:

\frac{\sigma_{G} + \sigma_{D}}{2}

\newpage

y la tensión de flexión \sigma_{F} es igual a:

\frac{\sigma_{G} - \sigma_{D}}{2}

De acuerdo con la invención, se determina mediante cálculo la relación R entre la tensión de tracción \sigma_{T} y la tensión de flexión \sigma_{F}. En la mayor parte de las aplicaciones, la relación R varía entre un valor mínimo Rmin y un valor máximo Rmax. En algunos casos, la relación R puede tener, sin embargo, un valor sensiblemente constante.

Sobre la base de la relación R así determinada, se fija el valor de un ángulo \alpha (Figura 1) entre una primera línea de órganos de fijación 14 y la dirección de la fibra neutra de las piezas 10 y 12 que se van a ensamblar. Se utilizan, a este fin, las curvas de la Figura 2, las cuales representan respectivamente los valores máximo \alpha_{max}, mínimo \alpha_{min} y óptimo \alpha_{opt} del ángulo \alpha, en función de la relación R.

Cuando la relación R es superior o igual a 1, el valor máximo del ángulo \alpha, que corresponde a la curva \alpha_{max} en la Figura 2, viene dado por la relación \alpha_{max} = 13,9 ln(R) + 28. En las mismas condiciones, el valor mínimo del ángulo \alpha, que corresponde a la curva \alpha_{min}, viene dado por la relación \alpha_{min} = 10,8 ln(R) + 16. Por último, siempre en el caso de que la relación R sea superior o igual a 1, el valor óptimo del ángulo \alpha, que corresponde a la curva \alpha_{opt} en la Figura 2, viene dado por la relación \alpha_{opt} = 11,6 ln(R) + 21.

Cuando la relación R es inferior a 1, el valor óptimo del ángulo \alpha es de 20º aproximadamente, siendo entonces los valores máximo y mínimo de 28º y de 16º, respectivamente. Todos estos valores corresponden igualmente a los que vienen dados por las curvas de la Figura 2.

En el caso más general, en el que R varía entre dos valores Rmin y Rmax (estos valores son respectivamente iguales a 5 y a 15 en el ejemplo numérico ilustrado en la Figura 2), el valor elegido para el ángulo \alpha debe ser tal que \alpha_{min}(Rmax) \leq \alpha \leq \alpha_{max}(Rmin). En la práctica, se elige un valor de a situado sensiblemente en el centro de estos dos límites, es decir, que se da \alpha a un valor sensiblemente igual a:

\frac{\alpha_{min}(Rmax) + \alpha_{max}(Rmin)}{2}.

Ventajosamente, si la relación R es casi constante, se da al ángulo \alpha un valor que corresponde sensiblemente con el que viene dado por la curva \alpha_{opt} para este valor de R.

Se debe apreciar que el valor dado al ángulo \alpha no excede nunca de 90º. De ese modo, en el caso extremo en que los esfuerzos a transmitir por el conjunto correspondan a una tracción simple, se da con preferencia al ángulo \alpha un valor igual a 90º, siendo el valor mínimo, en este caso, de 80º.

Cuando se da al ángulo \alpha el valor óptimo \alpha_{opt}, las líneas extremas de órganos de fijación 14 orientadas según este ángulo, se disponen de una manera óptima, de tal modo que las fijaciones de estas líneas sean iso-críticas. Las tensiones soportadas por los órganos de fijación 14 más cargados, son entonces mínimas. Esta característica permite dar a la duración de vida, en cuanto a fatiga, un valor óptimo. Esta característica optimiza también el comportamiento estático. Estas propiedades subsisten mientras el valor del ángulo \alpha se mantenga comprendido en la horquilla delimitada por los ángulos \alpha_{max} y \alpha_{min}.

La disposición de las filas extremas de órganos de fijación 14 conforme a la invención, se aplica a cualquiera que sea el tipo de ensamblaje al que se refiera.

De ese modo, se ha representado en la Figura 3A el caso de un ensamblaje simple, en el que las dos piezas 10 y 12 que se van a ensamblar se han fijado directamente una con la otra, sin eclisa.

Las partes terminales, sensiblemente planas, de las piezas 10 y 12 se recubren entonces de manera que se ensamblan una con la otra por medio de dos líneas extremas LE1 y LE2 de órganos de fijación 14. Según se ha ilustrado a título de ejemplo en la Figura 3A, el ensamblaje comprende por lo general, además, órganos intermedios de fijación 15. En un ensamblaje de ese tipo, las líneas extremas LE1 y LE2 están orientadas según el ángulo \alpha, de acuerdo con la invención. Por otra parte, los órganos de fijación 14 y 15 están generalmente alineados en un cierto número de filas orientadas paralelamente a la fibra neutra de las piezas 10 y 12. El número y la disposición de los órganos intermedios de fijación 15 se determinan según las normas de la técnica.

En la Figura 3B, se ha representado una primera aplicación de la invención al ensamblaje de dos piezas 10 y 12 por medio de una eclisa 16.

En este caso, cada una de las piezas 10 y 12 se ha fijado sobre la eclisa 16 por medio de un montaje comparable al que une las dos piezas 10 y 12 en la aplicación de la Figura 3A. En otros términos, las piezas 10 y 12 se colocan una a continuación de la otra, y la eclisa 16 recubre la parte terminal de cada una de ellas, siendo fijada a esta parte terminal por medio de dos líneas extremas LE1 y LE2 de órganos de fijación 14, así como por órganos intermedios de fijación 15. Al igual que en el caso anterior, el número y la disposición de los órganos intermedios de fijación 15 se determinan de manera convencional según las normas de la técnica.

La Figura 3C se refiere igualmente al ensamblaje de dos piezas 10 y 12 por medio de una eclisa 16.

Como en el caso anterior, la eclisa 16 se fija directamente a cada una de las piezas 10 y 12 por medio de dos líneas extremas LE1 y LE2 de órganos de fijación 14 y por medio de órganos intermedios de fijación 15. Sin embargo, en este caso, sólo las líneas extremas LE1 más alejadas de la otra pieza están orientadas según el ángulo \alpha conforme a la invención. Por el contrario, las líneas extremas LE2 más cercanas a la otra pieza, están orientadas según un ángulo próximo a 90º con relación a la fibra neutra de las dos piezas.

En este caso, la eclisa 16 debe ser gruesa en la zona de las líneas LE2, sitios críticos de inicio de fisuras.

En la Figura 3D, se ha representado el caso en que las piezas 10 y 12 se ensamblan por medio de dos eclisas 16, situadas a uno y otro lado de las partes terminales de las piezas. Las dos eclisas 16 son entonces conectadas por separado a la parte terminal de cada una de las dos piezas 10 y 12, estando las citadas piezas dispuestas una a continuación de otra como en las Figuras 3B y 3C. Como en el caso de la Figura 3C, la conexión de la eclisa a cada una de las piezas está asegurada por medios de dos líneas extremas LE1, LE2 y por medio de al menos una línea intermedia LI de órganos de fijación 14, y solamente la línea extrema LE1 más alejada de la otra pieza está orientada según el ángulo \alpha conforme a la invención.

En el caso que se acaba de describir con referencia a la Figura 3D, en el que las piezas 10 y 12 están ensambladas una con la otra por medio de dos eclisas 16, el espesor de cada eclisa es sensiblemente igual a 0,6 veces el espesor de la eclisa simple utilizada en el caso de la Figura 3B.

Según ilustran las Figuras 3A a 3D, los extremos de las piezas 10 y 12 y de las eclisas 16, si están presentes, están cortados ventajosamente de forma paralela a las líneas extremas LE1 y LE2 de los órganos de fijación 14. Esta disposición permite limitar la masa de las piezas a valores mínimos.

En las Figuras 3A a 3D, las partes terminales de las piezas 10 y 12, mediante las que estas últimas están ensambladas, presentan un espesor uniforme, que se corresponde con el espesor de las citadas piezas por fuera de la zona de ensamblaje. Sin embargo, son posibles otras disposiciones, sin apartarse del alcance de la invención. Así, las partes terminales de las piezas 10 y 12 pueden presentar también un espesor variable, que disminuye ya sea de forma regular en bisel, o ya sea mediante apoyos, al avanzar hacia el extremo de la pieza correspondiente.

Tal y como ilustra esquemáticamente la Figura 4, y según se ha mencionado en lo que antecede, la invención se aplica también al caso en que los esfuerzos que deben ser transmitidos por el conjunto sean esfuerzos alternos, es decir, esfuerzos orientados alternativamente en un sentido y después en el otro. Estos esfuerzos alternos pueden ser, en particular, esfuerzos de flexión y/o esfuerzos de tracción. En este caso, la línea extrema formada por los órganos de fijación 14 está orientada según el ángulo \alpha desde un lado de la fibra neutra de las piezas 10 y 12, y según un ángulo -\alpha desde el otro lado de la citada fibra neutra.

Bien entendida, la invención no está limitada a los modos de realización que se acaban de describir. Así, se puede aplicar a piezas realizadas con materiales idénticos o diferentes, metálicos o de materiales compuestos. La misma puede aplicarse asimismo también tanto a piezas sensiblemente planas como a piezas perfiladas, ensambladas por medio de sus almas sensiblemente planas.

Claims (11)

1. Procedimiento de ensamblaje de dos piezas (10, 12) sensiblemente planas, por medio de al menos una línea extrema de órganos de fijación (14), destinados a transmitir esfuerzos determinados entre las citadas piezas (10, 12), orientados en el plano de las piezas, caracterizado porque consiste en calcular al menos una relación R entre las tensiones de tracción \sigma_{T} y de flexión \sigma_{F} correspondiente a los citados esfuerzos, y en orientar la citada línea extrema de órganos de fijación (14) según un ángulo \alpha con relación a la dirección de la fibra neutra de las citadas piezas (10, 12), siendo el valor absoluto de dicho ángulo \alpha tal que: \alpha_{min} < |\alpha| < \alpha_{max}, con \alpha_{min} = 10,8 ln(R) + 16 y \alpha_{max} = 13,9 ln(R) + 28 cuando la relación R es al menos igual a 1, y con \alpha_{min} = 16 y \alpha_{max} = 28 cuando la relación R es inferior a 1, siendo el valor absoluto del ángulo \alpha a lo sumo igual a 90º.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, cuando la relación R varía entre un valor mínimo Rmin y un valor máximo Rmax, se orienta la citada línea extrema de órganos de fijación (14) según un ángulo \alpha cuyo valor absoluto es tal que \alpha_{min}(Rmax) \leq |\alpha| \leq \alpha_{max}(Rmin).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que se da al valor absoluto del ángulo \alpha un valor sensiblemente igual a:

\frac{\alpha_{min}(Rmax) + \alpha_{max}(Rmin)}{2}.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, cuando la relación R es casi constante, se orienta la citada línea extrema de órganos de fijación (14) según un ángulo \alpha sensiblemente igual, en valor absoluto, a \alpha_{opt}, con \alpha_{opt} = 11,6 ln(R) + 21 cuando R es al menos igual a 1, y con \alpha = 20º cuando R es inferior a 1.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, cuando los esfuerzos a transmitir son esfuerzos alternos, se orienta la línea extrema de órganos de fijación (14) según el citado ángulo \alpha y según un ángulo -\alpha, a uno y otro lado de la fibra neutra de las piezas (10, 12).

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las dos piezas (10, 12) se ensamblan directamente una con la otra mediante al menos dos líneas extremas de órganos de fijación (14) orientados según el citado ángulo \alpha.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las dos piezas (10, 12) se ensamblan una con la otra por medio de una eclisa (16), estando cada una de las piezas fijada a la eclisa por medio de al menos dos líneas extremas de órganos de fijación (14) orientados según el citado ángulo \alpha.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las dos piezas (10, 12) se ensamblan una con la otra por medio de una eclisa (16), estando cada una de las piezas fijada a la eclisa por medio de al menos dos líneas extremas de órganos de fijación (14), estando al menos las líneas extremas más alejadas de la otra pieza orientadas según el citado ángulo \alpha.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las citadas piezas (10, 12) se ensamblan una con la otra por medio de dos eclisas (16), estando cada una de las piezas fijada a las dos eclisas por medio de al menos dos líneas extremas de órganos de fijación (14), entre las que al menos la línea extrema más alejada de la otra pieza está orientada según el citado ángulo \alpha.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las citadas piezas (10, 12) presentan un espesor sensiblemente constante en la zona de ensamblaje.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las citadas piezas (10, 12) presentan un espesor que disminuye al avanzar hacia sus extremos, en la zona de ensamblaje.