ES2283559T3 - Discos de friccion de material compuesto con un nucleo estructural y elementos de camisa restaurables. - Google Patents
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Abstract
Un disco de fricción para un conjunto de freno que comprende: un núcleo estructural anular (40) que tiene al menos una superficie (41) de montaje con forma sinusoidal, y al menos un elemento (30) de camisa de fricción que tiene una superficie (31) de montaje con forma sinusoidal y una superficie (32) de desgaste, relativamente plana, axialmente opuesta a dicha superficie (31) de montaje de forma sinusoidal; aplicándose de forma acoplable dicha superficie (31) de montaje de cada elemento (30) de camisa de fricción a dicha superficie (41) de dicho núcleo estructural (40).
Description
Discos de fricción de material compuesto con un
núcleo estructural y elementos de camisa restaurables.
La presente invención está dirigida, en general,
a discos de fricción de carbono y, más en particular, a un disco de
fricción de carbono para un freno de aeronaves, diseñado para
proporcionar una integridad estructural, un contacto de fricción
adecuado y una absorción de calor suficiente.
Los frenos de aeronaves incluyen típicamente una
pluralidad de discos de estator y discos de rotor que se comprimen
conjuntamente durante la operación de frenado de una aeronave. Los
discos de estator y los discos de rotor están dispuestos
normalmente de una forma alternada con el fin de formar una pila de
discos de freno.
Los discos de estator, estacionarios, de la pila
de discos están dispuestos en una posición no giratoria que rodea a
una rueda o un eje de la aeronave. Los discos de rotor, giratorios,
están fijados a la periferia exterior de la rueda o el eje de la
aeronave y tienen, normalmente, libertad para girar con la rueda de
la aeronave cuando no se está usando el freno.
Un alojamiento de freno puede incluir una
pluralidad de actuadores de pistón de presión, que están dispuestos
de manera que proporcionan la fuerza de compresión de frenado que
fuerza a juntarse a los discos de estator y a los discos de rotor
de la pila de discos del freno de la aeronave. Pueden emplearse unos
ajustadores de freno dentro del freno para proporcionar el ajuste
de las posiciones relativas de los discos de freno, a medida que
estos componentes de fricción se desgastan durante el uso del
freno.
Los discos de freno de carbono para los sistemas
de freno de aeronaves antes mencionados son muy conocidos en la
técnica anterior. Los discos de freno de carbono ofrecen ventajas
sustanciales relativas a las propiedades térmicas y al desgaste,
con relación a otros discos de freno de la técnica anterior. Los
materiales compuestos de carbono-carbono se espera
que realicen al menos tres funciones diferentes en un freno de
aeronave: estructural, de fricción y de absorción de calor, es
decir, sirven como disipador de calor. Sin embargo, es difícil
optimizar simultáneamente los tres requisitos.
Las patentes de Estados Unidos n^{os}
3.712.427 y 3.800.392 describen unos discos de freno de carbono y/o
de grafito, restaurables, que tienen placas extraíbles en la cara de
desgaste. A medida que los discos de freno de carbono o de grafito
se dañan o desgastan, tiene que sustituirse todo el conjunto de
discos de freno con el fin de asegurar la integridad estructural
del sistema de frenos y/o para mantener las dimensiones originales
de la pila de frenado.
Los discos de freno pueden ser mecanizados de
manera que incorporen una placa del núcleo anular, con placas de
desgaste relativamente delgadas, de materiales de fricción basados
en carbono que forman las superficies de contacto de la fricción de
las placas del núcleo. Estas placas de desgaste están unidas o bien
fijadas mecánicamente a las placas del núcleo anular, mediante
medios bien conocidos como remaches o tornillos. Consecuentemente,
estos tipos de caras de desgaste extraíbles ofrecen métodos
alternativos más económicos para restaurar y reparar las caras de
desgaste de los discos de freno.
Las patentes de Estados Unidos n^{os}
5.558.186 y 5.779.006, de Hyde y col., describen discos de fricción
que tienen caras de desgaste renovables para facilitar efectividad
de costes, la restauración y sustitución de discos de estator y de
rotor. Estos conjuntos de discos de fricción incluyen un soporte
portador de estructura anular, que incluye una pluralidad de
regiones rebajadas que tienen unas paredes y unas entalladuras de
accionamiento de par torsor, espaciadas alrededor de la
circunferencia del soporte portador.
En el conjunto de discos se dispone también una
camisa de fricción que tiene una cara plana de desgaste y una cara
en el anverso, que incluye zonas elevadas para aplicarse de forma
acoplable a las paredes de las regiones rebajadas del soporte
portador. Hyde y col. describen que la profundidad de las regiones
rebajadas puede ser incluso inferior a la altura correspondiente de
las zonas elevadas de la camisa de fricción. Por ejemplo, la figura
4 y la figura 5 de la patente de Estados Unidos nº 5.558.186
muestran un soporte portador que incluye una pluralidad de regiones
rebajadas en forma de ventanas desprovistas de material alguno. La
figura 1 y la figura 3 del documento GB 2191830, que se considera
representa la técnica anterior más próxima, muestran un soporte
portador con rebajes que se acoplan con las correspondientes
protuberancias de la camisa de fricción.
Sin embargo, como se ve en estos ejemplos antes
mencionados de la técnica anterior, la deseada transferencia de
fuerzas entre la camisa de fricción y el soporte portador puede
requerir complejas etapas de fabricación. Por ejemplo, los
correspondientes componentes de acoplamiento de los conjuntos de
discos de frenos, pueden necesitar varias etapas de mecanización
para crear los componentes radiales, circunferenciales y
tangencialmente orientados que forman el conjunto.
Por tanto, hay una necesidad de un conjunto
sencillo de discos de freno de aeronaves con partes independientes
para la fricción y para el núcleo, donde el par torsor se transfiera
directamente desde el componente de fricción al núcleo. De esa
manera, el núcleo podría ser optimizado en cuanto a resistencia, y
las partes de fricción pueden ser optimizadas en cuanto al
rendimiento de fricción/desgaste.
La presente invención supera los inconvenientes
asociados con la técnica anterior y consigue otras ventajas que no
se realizan con la técnica anterior.
La presente invención, en parte, es un
reconocimiento de que, en la técnica relacionada, sería altamente
ventajoso un conjunto de discos de freno restaurable, que tenga una
construcción simplificada.
La presente invención, en parte, es un
reconocimiento de que los patrones de desgaste desiguales entre
componentes contiguos del conjunto de discos, darán como resultado
una inestabilidad dinámica. Consecuentemente, la presente invención
proporciona un conjunto de discos de freno para aeronaves que tiene
una estabilidad dinámica.
La presente invención, también en parte, es un
reconocimiento de que es más deseable facilitar la transferencia de
fuerzas de compresión para el frenado, directamente entre un
elemento de camisa de fricción y un soporte portador, que
indirectamente a través de una estructura circundante y elementos de
sujeción. Además, la transferencia de fuerzas de frenado a través
de un área superficial relativamente grande de los elementos de
fricción proporcionará una integridad estructural mejorada, una
vida más larga para los componentes y unas operaciones de frenado
más fiables. Por tanto, la presente invención optimiza la
transferencia de fuerzas de compresión entre las camisas de
fricción y sus soportes portadores asociados.
De acuerdo con la presente invención, un disco
de fricción para un conjunto de freno comprende un núcleo
estructural anular, que tiene al menos una superficie de montaje
con forma sinusoidal; y al menos un elemento de camisa de fricción,
que tiene una superficie de montaje con forma sinusoidal y una
superficie de desgaste relativamente plana, opuesta axialmente a
dicha superficie de montaje con forma sinusoidal, aplicándose de
manera acoplable la superficie de montaje de cada elemento de
camisa de fricción a la superficie de montaje del núcleo
estructural.
Las ventajas de la presente invención serán más
evidentes a partir de la descripción detallada ofrecida de aquí en
adelante. Debe entenderse que la descripción detallada y los
ejemplos específicos, al tiempo que indican modos de realización
preferidos de la presente invención, son ofrecidos solamente a modo
de ilustración.
La presente invención se comprenderá mejor a
partir de la descripción detallada dada a continuación y de los
dibujos que se acompañan que se dan solamente a modo de ilustración,
y que de este modo no limitan la presente invención.
La figura 1 es una vista parcial en sección de
un conjunto de freno para aeronaves, que incorpora un modo de
realización de la presente invención;
La figura 2 es una vista en planta de una camisa
de fricción con forma sinusoidal, de acuerdo con un modo de
realización de la presente invención;
La figura 3 es una vista de la camisa de
fricción ilustrada en la figura 2;
La figura 4 es una vista lateral en sección
transversal de un conjunto de frenos de disco de acuerdo con un
modo de realización de la presente invención.
A continuación, se describirá en detalle la
presente invención, con referencia a los dibujos que se
acompañan.
La figura 1 es una vista parcial en sección de
un conjunto de freno para aeronaves, que podría incorporar una
realización de la presente invención. El conjunto de freno para
aeronaves se muestra en general con el número 10. El conjunto 10 de
frenos incluye un tubo 12 de par torsor unido a un eje de una rueda
de aeronave (no ilustrada) que se extiende a su través.
Hay formada una pila de discos mediante el
estator 14 y los discos 16 de rotor dispuestos alternativamente.
Una pluralidad de discos anulares estacionarios 14 de estator están
unidos al tubo 12 de par torsor de una manera muy conocida, tal
como mediante orejetas de accionamiento. De una manera muy conocida,
hay dispuesta una pluralidad de discos giratorios 16 de rotor,
conformados correspondientemente, de manera alternativa entre los
discos 14 de estator. Los discos 16 de rotor están unidos, cada uno
de ellos, a periferias radialmente exteriores a la rueda (no
ilustrada), que está típicamente dispuesta de forma concéntrica
alrededor del tubo 12 de par torsor. Unos estatores 14a, axialmente
internos y externos, están dispuestos en extremos opuestos de la
pila de discos y pueden servir como placas de presión para contener
la pila de discos.
El freno 10 incluye además un alojamiento 20 que
contiene dispositivos 24 de pistón a presión para comprimir la pila
de discos 14 y 16. Pude proporcionarse una pluralidad de ajustadores
22 de freno para variar una posición inicial ajustada de los
discos, a medida que se desgastan. Pueden proporcionarse unas
ranuras 15 de estator y unas ranuras 17 de rotor para la unión de
sus respectivos discos al tubo 12 de par torsor y a la rueda de la
aeronave. Para la presente invención, se disponen típicamente unas
orejetas de accionamiento sobre el diámetro interior del núcleo
estructural 40 (véase la figura 4) para el montaje en un estator del
conjunto de freno. Alternativamente, también se pueden proporcionar
unas orejetas de accionamiento dispuestas sobre un diámetro
exterior del núcleo estructural 40 para el montaje en un rotor del
conjunto de freno.
La figura 2 es una vista en planta de una camisa
30 de fricción de forma sinusoidal, de acuerdo con una realización
de la presente invención. La figura 3 es una vista de la camisa 30
de fricción mostrada en la figura 2. La figura 4 es una vista
lateral en sección transversal de un conjunto 50 de discos de freno,
de acuerdo con una realización de la presente invención.
Como se puede ver en los dibujos que se
acompañan, hay fijada una pareja de camisas 30 de fricción a un
núcleo estructural 40 reutilizable. Cada disco 30 de las camisas de
fricción está provisto de una superficie 31 de montaje con forma
sinusoidal y de una superficie 32 de desgaste relativamente plana.
El disco 40 del núcleo estructural tendrá al menos una superficie
41 de montaje con forma sinusoidal, correspondiente a la superficie
31 de montaje de forma sinusoidal del disco 30 de la camisa de
fricción. Un núcleo estructural 40 para una placa de presión,
tendrá normalmente sólo una superficie de montaje, mientras que los
conjuntos individuales de discos de estator o de rotor tendrán
núcleos estructurales 40 con dos superficies de montaje.
El núcleo estructural 40 puede ser utilizado en
muchos ciclos de trabajo. Los discos 30 de las camisas de fricción,
que son económicos de fabricar, pueden ser desechados o bien
reciclados según sea necesario. Una ventaja inherente de la
presente invención es que la configuración de camisa de
fricción/núcleo estructural da como resultado que el mecanismo de
accionamiento transfiera el par torsor de fricción desde los anillos
30 de las camisas al núcleo estructural 40, a través de los
patrones de ondas sinusoidales de inmovilización mutua.
El conjunto 50 de discos de freno de material
compuesto se monta uniendo dos discos 30 de camisa de fricción en
ambos lados del disco 40 del núcleo estructural, a través de
remaches, pinzas u otro mecanismo de inmovilización mecánica, para
asegurar que las ondas sinusoidales de ambas superficies se aplican
y transfieren las fuerzas de cizalladura de un disco al otro. Puede
utilizarse un remache, tornillo u otro elemento 45 de sujeción
mecánica para fijar los discos 30 de las camisas de fricción a su
respectivo núcleo estructural 40.
Las ondas sinusoidales de ambos discos se
inmovilizan mutuamente o se aplican para transferir las fuerzas de
cizalladura entre los discos. Una ventaja inherente de la presente
invención es que los patrones de ondas sinusoidales proporcionan un
área superficial aumentada que asegura una zona de contacto mayor
entre el núcleo estructural 40 y una camisa contigua 30 de
fricción. En la técnica anterior, las superficies de montaje
relativamente planas se aplican a lo largo de un área superficial
relativamente pequeña, definida simplemente por la anchura y altura
de la zona de contacto. Sin embargo, los patrones de ondas
sinusoidales de la presente invención proporcionan un área
superficial mayor, ya que las superficies de acoplamiento son
inclinadas y continuas. Por tanto, la presente invención
proporcionará finalmente una mayor superficie de apoyo para
proporcionar una distribución de carga más uniforme entre la camisa
y el núcleo, incluyendo una transferencia mejorada de las fuerzas
compresivas de frenado a través de la carga de cizalladura.
Los patrones de ondas sinusoidales aseguran
también el posicionamiento adecuado de los discos 30 de la camisa
de fricción con relación al núcleo estructural 40 impidiendo el
movimiento relativo entre el núcleo estructural 40 y los discos 30
de la camisa de fricción mantenidos en aplicación de inmovilización
mutua. Consecuentemente, se impide que los discos 30 de la camisa
de fricción puedan girar con relación al núcleo estructural y con
ello se mejora la estabilidad dinámica de los discos de freno
durante la transferencia de fuerzas. Sin embargo, podría tener
lugar algún movimiento relativo durante el frenado, y la energía
disipada puede mejorar la estabilidad dinámica de los discos de
freno.
Como se ve en la figura 2 y en la figura 3, cada
uno de los patrones de ondas sinusoidales incluye inherentemente
crestas 35 y valles 39. Las crestas 35 y los valles 39 de cada uno
de los patrones de ondas sinusoidales tienen lugar en posiciones de
máxima y mínima amplitud, respectivamente. A lo largo de cada cresta
35 de los patrones de ondas sinusoidales, se forman unas líneas
imaginarias 36 de la
cresta.
cresta.
Debido a la forma anular de cada disco 30 de la
camisa de fricción y del núcleo estructural, las longitudes de onda
del patrón sinusoidal aumentarán a medida que las líneas 36 de la
cresta se extienden radialmente hacia fuera. Por ejemplo, una
primera longitud 37 del arco medida entre las líneas contiguas 36 de
cresta, a lo largo de la circunferencia del disco 30 de la camisa
de fricción o del núcleo estructural 40, será más larga que una
segunda longitud 38 del arco medido entre las mismas líneas 36 de
cresta, pero en una posición a lo largo del diámetro interior del
disco 30 de la camisa de fricción.
Los discos 30 de las camisas de fricción se
pueden hacer de varios tipos de material compuesto de
carbono-carbono, emparejados con el disco 40
reutilizable del núcleo estructural, hecho también de un tipo de
material compuesto de carbono-carbono. Aunque tanto
los discos 30 de la camisa de fricción como el núcleo estructural 40
podrían estar hechos con los mismos materiales compuestos de
carbono-carbono o similares, la presente invención
es particularmente ventajosa porque pueden incorporarse en el
diseño materiales independientes optimizados para las funciones
independientes de las camisas 30 y del núcleo 40.
El núcleo estructural 40 está mecanizado a
partir de material compuesto de carbono-carbono
optimizado en cuanto a resistencia, con orejetas de accionamiento
en los diámetros interior y exterior para la aplicación del estator
y del rotor, respectivamente. En una realización preferida, se
proporcionan en ambas superficies de contacto los patrones de ondas
sinusoidales, que en otro caso serían planas de acuerdo con la
técnica anterior.
Los discos 30 de las camisas de fricción están
mecanizados a partir de material compuesto de
carbono-carbono, optimizado en cuanto a
fricción/desgaste, con el patrón de ondas sinusoidales mecanizado a
partir de la superficie plana sin fricción. En el transporte
público, los elementos de fricción desgastados de las camisas son
desechados o reciclados, mientras que el núcleo estructural es
reutilizado en un gran número de ciclos de trabajo.
Consecuentemente, el coste del material del conjunto 50 de discos
de freno puede ser optimizado al poder incorporarse núcleos
estructurales 40 de mayor calidad en el conjunto 50. Los discos 30
de las camisas de fricción que requieren sustitución, pueden ser
extraídos simplemente del núcleo estructural 40, y puede fijarse un
disco 30 de la camisa de fricción, de sustitución o restaurado, al
núcleo estructural 40.
Los materiales compuestos de
carbono-carbono son materiales de alta temperatura
que se utilizan como disipadores de calor en entornos severos/de
temperaturas altas para frenos de aeronaves, y para otras
aplicaciones aeroespaciales que requieran sus propiedades
exclusivas. Los materiales compuestos de
carbono-carbono tienen una densidad baja, una
resistencia alta y un módulo alto. Estas propiedades son retenidas
hasta temperaturas por encima de 2000ºC. La resistencia a la
fluencia y la rigidez son también altas, y la alta conductividad
térmica y el bajo coeficiente de expansión térmica proporcionan una
resistencia al choque térmico.
Consecuentemente, el material compuesto de
carbono-carbono optimizado para la
fricción/desgaste, utilizado para los discos 30 de las camisas de
fricción de la presente invención, exhibirá típicamente un
coeficiente de fricción más alto que el de un núcleo estructural
optimizado para la resistencia. El núcleo estructural 40 puede
tener una mayor resistencia a la fractura, resistencia a la tracción
y/o resistencia a la compresión que los discos 30 de las camisas de
fricción. Los discos 30 de las camisas de fricción y el núcleo
estructural 40 pueden ser fabricados y/o mecanizados a partir de
una tecnología muy conocida para la fabricación de dispositivos de
material compuesto de carbono-carbono.
Las propiedades materiales de un material
compuesto de carbono-carbono pueden variar
dependiendo de la fracción de fibras, el tipo de fibra
seleccionado, del tipo de tejido textil y factores similares, y de
las propiedades individuales de las fibras y del material de la
matriz. Las propiedades de las fibras dependerán de los materiales
utilizados, del proceso de producción y/o del grado de participación
del grafito y de la orientación.
Ejemplos adicionales de materiales compuestos
adecuados de carbono/carbono y de sus propiedades materiales
deseadas, de las aplicaciones potenciales de la presente invención y
de características adicionales de sistemas de frenado para
aeronaves de la técnica anterior se describen en las siguientes
patentes de Estados Unidos n^{os} 4.804.071 de Schultz y col.,
5.558.186 de Hyde y col. y 5.779.006; la totalidad de cada una de
las cuales se incorpora aquí como referencia.
En la presente invención pueden incorporarse
fácilmente diversos dispositivos mecánicos de sujeción muy
conocidos, tales como grapas, bloques de sujeción, remaches
tornillos y pinzas de retención. Aunque los discos 30 de las
camisas de fricción pueden estar unidos al núcleo estructural 40 de
la presente invención, será probablemente más ventajoso utilizar
dispositivos de sujeción mecánicos.
Como se ha descrito anteriormente, la presente
invención proporciona un área superficial enormemente aumentada a
lo largo de la zona de contacto situada entre los discos 30 de la
camisa de fricción y el núcleo estructural 40. La carga que
normalmente sería transferida a través de las sujeciones mecánicas o
de otra estructura circundante, puede ser ahora transferida
directamente a través de la camisa y el núcleo estructural. Como las
propiedades del material de cada componente pueden ser optimizadas
independientemente, la presente invención consigue una
transferencia de calor, una resistencia a la fricción/desgaste y un
soporte/resistencia estructurales idealizados.
Consecuentemente, se podrá apreciar fácilmente
por un experto en la técnica que se pueden emplear patrones
alternativos, tales como superficies de montaje de inmovilización
mutua con formas triangulares o trapezoidales, a lo largo de la
zona de contacto entre el núcleo estructural 40 y los discos 30 de
las camisas de fricción. Además, se pueden aplicar revestimientos
protectores, tales como revestimientos como barreras térmicas o
antioxidantes, a las superficies 32 de desgaste de los discos 30 de
las camisas de fricción.
Claims (7)
1. Un disco de fricción para un conjunto de
freno que comprende:
un núcleo estructural anular (40) que tiene al
menos una superficie (41) de montaje con forma sinusoidal, y
al menos un elemento (30) de camisa de fricción
que tiene una superficie (31) de montaje con forma sinusoidal y una
superficie (32) de desgaste, relativamente plana, axialmente opuesta
a dicha superficie (31) de montaje de forma sinusoidal;
aplicándose de forma acoplable dicha superficie
(31) de montaje de cada elemento (30) de camisa de fricción a dicha
superficie (41) de dicho núcleo estructural (40).
2. El disco de fricción según la reivindicación
1, en el que dicho núcleo estructural anular (40) está formado a
partir de un material compuesto de carbono-carbono
optimizado para la resistencia.
3. El disco de fricción según la reivindicación
1, que comprende además unas orejetas de accionamiento sobre un
diámetro interior de dicho núcleo estructural (40) para montar a un
estator del conjunto de freno.
4. El disco de fricción según la reivindicación
1, que comprende además unas orejetas de accionamiento sobre un
diámetro exterior de dicho núcleo estructural (40) para montar a un
rotor del conjunto de freno.
5. El disco de fricción según la reivindicación
1, en el que cada uno de los elementos (30) de las camisas de
fricción está formado a partir de un material compuesto de
carbono-carbono optimizado para la fricción.
6. El disco de fricción según la reivindicación
1, que comprende además al menos un elemento (45) de sujeción
mecánica para fijar dicho elemento (30) de camisa de fricción a
dicho núcleo estructural (40).
7. El disco de fricción según la reivindicación
2, en el que cada elemento (30) de camisa de fricción está formado
a partir de un material compuesto de carbono-carbono
optimizado para la fricción.
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|---|---|---|---|
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| DE (1) | DE60219465T2 (es) |
| ES (1) | ES2283559T3 (es) |
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