MEMORIA DESCRIPTIVA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un engranaje dentado para bicicletas u otros sistemas de transmisión similar que aporta, a la función a que se destina, ventajas y características, que se describen en detalle más adelante.

El objeto de la presente invención recae en un engranaje dentado para bicicletas u otros sistemas de transmisión similar en que se constituya como elemento esencial de dicha transmisión del movimiento, que presenta la innovadora particularidad de estar fabricado en fibra de carbono discontinua, u otros materiales compuestos con fibras discontinuas, conocidos como “Discontinous Fiber Composites” (DFC), proporcionando a dicho engranaje las ventajas de una mejor distribución estructural y por lo tanto, mayor resistencia, especialmente en la zona de los dientes, frente a los engranajes de fibra de carbono convencionales (u otros materiales compuestos con fibras) que se utilizan actualmente, y de menor ligereza que sus precedentes metálicos.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca en el sector de los sistemas de transmisión que incluyan engranajes dentados.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, actualmente las bicicletas incorporan muchas innovaciones que las hacen ser mucho más competitivas. En este sentido, el peso de las partes o elementos de la misma es un factor esencial, sin embargo, se debe garantizar la resistencia necesaria para que cumpla la función prevista.

Por ello, la fibra de carbono, que es un material ligero y altamente resistente, se utiliza en diversas partes estructurales y mecánicas de una bicicleta. Los procesos de fabricación de piezas de fibra de carbono utilizados actualmente se basan en la utilización de compuestos a partir de láminas que contienen fibras continuas, tejidas o unidireccionales. (Véanse Figuras 2-A y 2-B).

Como es sabido, la fibra de carbono en base epoxi es un material compuesto (composite). Como todos los “composites”, está fabricado a partir de una matriz aglutinante y una fibra de refuerzo. Puesto que su distribución estructural depende de la direccionalidad de las fibras que lo refuerzan, y suelen encontrarse con un orden específico, se trata de un material anisotrópico. (Véase Figuras 1 ).

El composite de fibra de carbono en base epoxi es un material que debe pasar por un proceso de curación durante el proceso de manufactura de una pieza. Existen distintas tipologías de material en crudo que pueden adquirirse en función de cada necesidad y proveedor.

Las propiedades mecánicas de este material compuesto anisotrópico dependen de la direccionalidad de las fibras que lo refuerzan, en este caso, de la fibra de carbono (refuerzo). Estas fibras, tienen capacidad de soportar grandes esfuerzos axiales a tracción, con muy poca deformación, lo que hace del compuesto un material muy rígido y resistente.

Por contra, las fibras no presentan un buen comportamiento a otros esfuerzos como por ejemplo esfuerzos axiales de compresión, flexión o cizalla. En estos casos, el comportamiento estructural de la fibra disminuye y es la matriz (resina epoxi) la que absorbe gran parte de las tensiones, generándose grietas, roturas o quiebros en el material compuesto. Es por esta razón, que, para una correcta fabricación de una pieza de fibra de carbono, es importante prever cómo se direccionarán las fibras, sobre todo en las zonas críticas de la pieza dónde pueda llegar a sufrir esfuerzos más pronunciados.

Los esfuerzos críticos a los que, habitualmente, un engranaje dentado es sometido, se sitúan en el extremo de los dientes, generados por parte de otros elementos del sistema de transmisión como pueden ser una cadena, en dirección tangente al movimiento circular del mismo engranaje, y en sentido contrario a su rotación.

Por ello, para que durante la fase más crítica del funcionamiento de un engranaje dentado de fibra de carbono, la estructura de las fibras trabajen óptimamente, la orientación y distribución ideales de dichas fibras debe ser concéntrica a la geometría, tal como se muestra en la figura 4. De lo contrario, cualquier otra orientación de la fibra impedirá que ésta trabaje a tracción, sometiéndola mayohtahamente a esfuerzos de flexión, compresión y cizalla, y por lo tanto, comprometiéndola a ser no óptima.

Una de las tipologías más comunes para la producción de piezas técnicas son las láminas de fibra de carbono continuas pre impregnadas con resina o “prepreg”. Se trata de un material que se sirve en laminas, dónde las fibras se encuentran perfectamente ordenadas y dispuestas según un patrón determinado, que puede ser de forma unidireccional, o tejidas entre sí a lo largo de la lámina. La matriz, generalmente resina Epoxi en crudo, aglutina las fibras formando una lámina solidaria. (Véanse Figuras 2-A y 2-B)

Para la manufactura de una pieza con láminas de carbono continuo, se debe diseñar un patronaje de la pieza deseada, y plasmarlo sobre dichas láminas pre impregnadas. Una vez obtenidos los patrones, se deben disponer en el molde de la pieza, teniendo en cuenta la direccionalidad de la fibra en cada una de las capas. Finalmente, el molde debe cerrarse con una presión determinada para compactar el material y someterlo a un proceso de curado por temperatura.

En algunos casos, la geometría de una pieza no se obtiene solo a partir del laminado, sino que una vez curada una pieza con material sobrante, se mecaniza parcial o totalmente.

Independientemente de si la pieza es mecanizada a posteriori o no, para que la distribución estructural de una pieza quede correctamente, las distintas capas de carbono continuo que conforman la pieza se disponen direccionadas de forma distinta entre ellas, con el objetivo de que siempre se encuentren fibras en la orientación óptima en las zonas susceptibles de sufrir esfuerzos críticos.

Para la fabricación de un engranaje dentado, o cualquier otra geometría con salientes concéntricos, el uso de láminas de fibra de carbono continua implica que en las zonas salientes (dientes) las fibras de carbono queden mayohtahamente en una orientación no óptima, y recortadas, o bien por el diseño del patronaje, o bien por el mecanizado posterior al curado, anulando en esas zonas el carácter continuado de la fibra, comprometiendo su comportamiento estructural. (Véanse las Figuras 5 y 6).

Por ello, la estructura resultante en los dientes de un engranaje dentado fabricado por el método de laminado de carbono continuo “prepreg” no es la óptima en cuanto a la estructura de las fibras de carbono, ya que la distribución de las fibras quedarían distintas en cada diente de la rueda dentada al tratarse esta de un elemento circular.

Otro tipo de fabricación, mucho menos común de piezas de fibra de carbono es el moldeo por compresión DFC (Discontinous Fiber Composites). Habitualmente, este grupo de materiales se sirven como un compuesto de fibras discontinuas de carbono, también preimpregnadas con un aglutinante (matriz), generalmente resina Epoxi, en formato de lámina o SMC (Sheet Molding Compund) o bien en formato de masa o BMC (Bulk Molding Compound). Las fibras de carbono en estos compuestos son más cortas (según proveedor) y se encuentran dispuestas aleatoriamente, haciendo una mezcla homogénea y no ordenada, con una distribución estructural más semejable a la de un material ¡sotrópico. (Véanse Figuras 2-C y 2-D)

La manufactura mediante compuestos de fibras discontinuas (DFC) se realiza con un molde específico, dispuesto de un sistema de calefacción, accionado con una prensa. Dicho molde dispone esencialmente de dos elementos, la mitad de cavidad y la mitad de fuerza o punzón que, por sus características, ejercen una presión determinada en el material, permitiendo que éste conforme la geometría de la pieza deseada.

En el moldeo por compresión de DFC, una carga de material en crudo, de masa y volumen determinados, se coloca en la mitad de cavidad del molde. El sistema de calefacción del molde permite que, con la temperatura, la resina aglutinante del compuesto se vuelva viscosa. Mediante una prensa, la mitad de fuerza del molde o punzón se introduce en la mitad de cavidad transmitiendo una alta presión al material y, gracias a la distribución y tamaño de las fibras discontinuas, el material compuesto es repartido a lo largo de toda la geometría del molde, pudiéndose llenar geometrías complejas. (Véanse Figuras 3-A, 3-B y 3-C)

El objetivo de la presente invención es, pues, proporcionar al mercado un engranaje dentado con las ventajas de la fibra de carbono producida mediante el moldeo por compresión de DFC, mejorando el comportamiento de este material en las zonas críticas de la pieza, como son la de los dientes.

Por otra parte, y como referencia al estado actual de la técnica, al menos por parte del solicitante, se desconoce la existencia de ningún otro engranaje dentado de carbono para bicicleta, ni ninguna otra invención de aplicación similar, que presente unas características técnicas, y constitutivas ¡guales o semejantes a las que presenta el que aquí se reivindica. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El engranaje dentado que la invención propone se configura como la solución idónea al objetivo anteriormente señalado, estando los detalles caracteñzadores que lo hacen posible y que lo distinguen convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente descripción.

Concretamente, lo que la invención propone, como se ha apuntado anteriormente, es un engranaje dentado para bicicletas u otros sistemas de transmisión similar, el cual se distingue por estar fabricado por moldeo por compresión de materiales compuestos de fibra discontinua también conocidos como DFC, preferentemente de fibra de carbono discontinua.

Más concretamente, dicha pieza es apta para constituir un engranaje dentado gracias a que el material de fibra de carbono, en lugar de ser laminado capa por capa y estar constituido por capas de fibras continuas con hilos de carbono dispuestos unidireccionalmente y/o tejidos, como sería lo habitual, está conformado mediante moldeo por compresión de un compuesto de fibras discontinuas entre sí, donde las fibras son arrastradas, por la presión ejercida dentro del molde, hasta la cavidad interior de cada uno de los dientes del engranaje.

Con ello se consigue ventajosamente que el engranaje presente una mejora estructural respecto a un engranaje laminado con fibra continua, ya que la orientación y distribución de las fibras, obtenida gracias a la presión que el molde proporciona, se corresponde con gran similitud a la orientación estructural de fibras ideal descrita en la Figura 4-B, que deben tener para que presenten un comportamiento óptimo frente a los esfuerzos a los que un engranaje es sometido.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un juego de planos en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1 Muestra una vista esquemática de la representación de las partes que conforman el material constitutivo de la fibra de carbono u otro material compuesto de fibras como refuerzo; las figuras número 2-A, 2-B, 2-C y 2-D.- Muestran una representación esquemática de las distintas tipologías de fibra de carbono con resina pre impregnada que pueden encontrarse de forma comercial; las figuras número 3-A, 3-B y 3-C.- Muestran sendas vistas esquemáticas de las fases de moldeo por compresión de DFC, mostrando respectivamente la disposición inicial del material en el centro del molde y la disposición repartida del mismo por todo el molde tras haber recibido presión; las figuras número 4-A y 4-B.- Muestran, respectivamente, una representación esquemática de un engranaje dentado con la cadena, y el detalle A ampliado de la zona dentada mostrando, mediante líneas de doble flecha, la orientación ideal de las fibras y, mediante flecha negrita, la fuerza que ejerce la cadena sobre los dientes; las figuras número 5-A y 5-B.- Muestran sendas vistas, en alzado y sección respectivamente de un ejemplo de engranaje dentado, según una hipotética realización del engranaje obtenido mediante laminado; las figuras número 6-A, 6-B y 6-C.- Muestran respectivas vistas de las diferentes capas de laminado que comprende el engranaje de la figura 5-B, apreciándose las diferentes orientaciones de las fibras entre capas, siendo unidireccionales cada una de ellas; las figuras número 7-A, 7-B.- Muestran, respectivamente, una vista en alzado de la representación de la disposición inicial del material crudo en el centro de la pieza para la obtención del engranaje dentado de fibra de carbono con SMC, según la invención, y el detalle ampliado de dicho material con hilos cortos desordenados en distintas orientaciones; y las figuras número 8-A y 8-B.- Muestran, respectivamente, una vista en alzado de la pieza obtenida conformante del engranaje dentado de carbono objeto de la invención, y un detalle ampliado de la zona de los dientes, donde se muestra la orientación de las fibras.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas que lo que la invención propone es un engranaje dentado para bicicletas u otros sistemas de transmisión similar, constituido a partir de una pieza (1 ) circular dotada radialmente de una pluralidad de dientes (1 a), se distingue por el hecho de que dicha pieza (1 ) es de un material compuesto con fibras de refuerzo discontinuas, conocido de DFC (material compuesto de fibras discontinuas), preferentemente de fibras discontinuas de carbono, obtenida mediante moldeo por compresión o compresión molding.

De preferencia, dicha pieza (1 ) es obtenida a partir una porción de material compuesto (5) formado por una matriz poliméhca (2) aglutinante, termoestable o termoplástica, y refuerzo de fibras, normalmente de carbono, consistente en hilos (3) discontinuos y desordenados, cuyos hilos (3), una vez obtenida la pieza (1 ), quedan orientados mayohtariamente de forma aleatoria en el centro de dicha pieza y de una manera continua y concéntrica hacia cada uno de los dientes (1 a). El material se coloca en el molde con una disposición aleatoria, y mediante la compresión del molde en la zona central el material sigue quedando en esta posición aportando un comportamiento cuasi Isotropico, pero en la zona de los dientes, el material se empuja quedando las fibras orientadas concéntricamente y más continua con la forma de los dientes.

Atendiendo a la figura 1 se observa, representado de manera esquemática, cómo la fibra de carbono con que está fabricado el engranaje dentado (1 ) de la invención es un material compuesto de una matriz aglutinante (2), habitualmente resina termoestable epoxi, y un refuerzo estructural consistente en fibra o hilos (3) de carbono.

En las figuras número 2-A, 2-B, 2-C y 2-D se aprecian, de manera esquemática las distintas tipologías de fibra de carbono con resina pre impregnada que pueden encontrarse de forma comercial.

En la figura 2-A se aprecia cómo, en un ejemplo de lámina (4) UD (uní direccional), los hilos (3) de fibra de carbono son continuos y están todos orientados en la misma dirección.

En la figura 2-B se aprecia cómo, en otro ejemplo de lámina (4), los hilos (3) de fibra de carbono son continuos y se encuentran entrelazados entre sí de forma ordenada.

En la figura 2-C se aprecia cómo, en otro ejemplo de lámina (4) de fibras discontinuas (SMC), los hilos (3) de fibra de carbono son discontinuos, de longitud determinada y se encuentran desordenados a lo largo de toda la lámina.

Y en la figura 2-D se aprecia cómo, en un ejemplo de masa de fibras discontinuas (BMC), los hilos (3) de fibra de carbono son discontinuos, de longitud determinada y se encuentran desordenados a lo largo de toda una masa (2) que los aglutina, generalmente resina Epoxi. Por su parte, atendiendo a las figuras número 3-A, 3-B y 3-C se aprecian de manera esquemática, las fases de moldeo por compresión de DFC, mostrando respectivamente la disposición inicial del material en el centro del molde y la disposición repartida del mismo por todo el molde tras haber recibido presión.

En este caso, para la obtención de las piezas, se coloca dicho material (5) en el molde (6) en la cantidad de volumen necesaria, y es sometido a elevada temperatura y a un alto tonelaje mediante una prensa, cuya fuerza de presión está representada en la figura 3-B mediante flecha (p). La temperatura hace que la resina se vuelva viscosa, y gracias a la distribución y tamaño de estas fibras, el material (5) compuesto permite que con la presión (p) se pueda repartir por toda la geometría del molde (6).

Atendiendo a las figuras 4-A y 4-B se observa cómo, en el caso de un engranaje dentado (1 ) para bicicleta donde los dientes (1 a) verán tensionados por la cadena (7), para que los hilos (3) reciban mayormente fuerzas de tracción, la posición ideal de los mismos sería radial en el centro de la pieza y de forma continua hacia cada uno de los dientes (1 a), tal como muestra la línea de trazo representada en la figura 4-B.

Atendiendo a las figuras 5-A y 5-B, se observa una hipotética realización de engranaje dentado de carbono laminado (1 ’), es decir, obtenido mediante laminado de varias capas, por ejemplo, una anterior (a) una intermedia (b) y una posterior (c) de láminas (4) pre impregnadas de fibra de carbono con hilos (3) continuos unidireccionales. La figura 5-B muestra una vista en sección según el corte B-B señalado en la figura 5-A. Y en las figuras 6-A, 6-B y 6-C se observa la distinta dirección prevista de los hilos (3) en cada una de las capas.

Como se puede apreciar, aunque se combinen las tres capas (a, b, c), representadas en las figuras 6-A, 6-B y 6-C, las fibras o hilos (3) de carbono no se distribuyen como el caso ideal que muestra la figura 4-B, por lo que se fuerza al material a trabajar de un modo no óptimo. Además, con el corte de las láminas a distintas angulaciones, la mayoría de las fibras o hilos (3) que quedan en la zona de los dientes (1 a), que es la parte crítica de la pieza, están cortadas y carecen de continuidad con el conjunto, comprometiendo el carácter estructural del composite.

Atendiendo a las figuras 7-A a 8-B, se observa cómo, cuando el engranaje dentado (1 ), como es el caso del engranaje objeto de la presente invención, consiste en una pieza de material compuesto obtenida mediante moldeo por compresión de DFC, se consigue que las fibras o hilos (3) de carbono sigan la orientación ideal mostrada en la figura 4-B.

Más concretamente, como se ve en las figuras 7-A y 7-B, en una instancia inicial, el material (5) crudo se dispone en la parte central del molde (6) con la forma de la pieza sin llegar a cubrir los bordes donde se formarán los dientes (1 a). Se puede apreciar en el detalle de la figura 7-B cómo los hilos (3) de carbono son cortos y están desordenados.

Por último, atendiendo a las figuras 8-A y 8-B se puede observar el engranaje dentado (1 ), en este caso un plato de bicicleta, en la posición final, una vez cerrado el molde. Se aprecia cómo el material (5) por presión se desplaza hasta los extremos de la pieza, arrastrando los hilos (3) cortos de carbono hacia adentro de cada diente (1 a), siendo esta la propiedad que hace que el engranaje dentado (1 ) de carbono presente una mejora estructural respecto a un engranaje laminado con láminas de fibra continua, ya que la orientación y distribución de las fibras es prácticamente idéntica a la orientación ideal que se muestra en la figura 4-B.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan.