ES2233357T3 - Procedimiento para fabricar un arbol de levas y arbol de levas fabricado posteriormente. - Google Patents
Procedimiento para fabricar un arbol de levas y arbol de levas fabricado posteriormente.Info
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Abstract
Procedimiento para fabricar un árbol de levas a partir de un tubo (1), el cual se deforma mediante la acción de fuerzas axiales y un medio con alta presión interna, caracterizado porque el anillo (3) de soporte, fabricado en un procedimiento separado, que corresponde con el contorno de las levas, la dureza, solidez y resistencia al desgaste necesarias, junto con el tubo (1) a remodelar se introducen en una herramienta de remodelado de alta presión interna, y porque, mediante la acción de fuerzas axiales y de un medio con una alta presión interna, se configuran levas (2) mediante ensanchamiento del tubo (1), y los anillos (3) de soporte se sujetan en las levas (2) en arrastre de fuerza y de forma.
Description
Procedimiento para fabricar un árbol de levas y
árbol de levas fabricado posteriormente.
La invención se refiere a un procedimiento para
fabricar árboles de levas y a un árbol de levas fabricado según este
procedimiento. Preferiblemente, se trata de árboles de levas para
motores para automóviles, no obstante, el procedimiento también es
apropiado para fabricar productos similares, tal como, por ejemplo,
discos de levas dispuestos en un árbol. Son elementos que
transforman un movimiento de rotación en un movimiento de
elevación, ya que los elementos elevadores discurren en discos
rotatorios con distinta curvatura y se desplazan en contra de la
dirección de giro.
Se conocen árboles de levas que están fabricados
de una pieza, es decir, forjados o fundidos. Las superficies de
deslizamiento de las levas que sufren el desgaste están refundidas
mediante haces de láser, haces electrónicos o TIG (tungsteno bajo
gas inerte) según un tratamiento mecánico por arranque de virutas
o, por ejemplo, endurecidas inductivamente o según un proceso
térmico / químico. A continuación, se realiza el tratamiento
mecánico adicional, por ejemplo, el rectificado del soporte y de
las formas de las levas. Estos árboles de levas tienen la
desventaja de que su peso y la masa que va a moverse con ello es muy
grande. La gran masa del árbol de levas repercute desventajosamente
en el consumo de combustible. Otra desventaja es el gran esfuerzo
mecánico al procesar la pieza en bruto.
Además, se conoce el fabricar árboles de levas a
partir de piezas individuales. Las levas individuales se llevan al
árbol y, preferiblemente, se unen con éste mediante soldadura, se
montan a presión o en caliente. Con ello, se elimina de una vez el
defecto del gran peso de los discos de levas macizos, dado que el
árbol puede ser un árbol hueco, sin embargo, el esfuerzo de
fabricación es aún muy alto.
En otra forma de realización del procedimiento,
también se conoce el sujetar las levas individuales en el árbol de
levas de tal manera que el árbol hueco se ensancha mediante la
acción de la presión después de deslizar las levas. Como medios de
presión se emplean preferiblemente fluidos. La presión se genera
mediante émbolos o pistones (DE 34 09 541; 35 21 206; US 4 660 269;
5 259 268). Sin embargo, este procedimiento tiene la desventaja de
que la fabricación de las piezas individuales, especialmente el
ensamblaje, es tecnológicamente complicado y limita el contorno
interior de las levas.
Además, se conoce el fabricar árboles de levas de
manera que un cuerpo hueco oblongo, es decir, un árbol hueco, genera
de forma individual, una tras otra o simultáneamente conformaciones
que actúan como levas (DE-A-196 17
593) mediante un procedimiento de remodelado de alta presión
interna (denominado procedimiento RAPI).
De forma correspondiente, las herramientas de dos
piezas o de cuatro piezas garantizan, mediante el enganche del árbol
hueco en la dirección axial, que las levas se originen de forma
definida en su posición y se realice una conformación de una pieza
(WO 97/46341).
Sin embargo, el árbol de levas fabricado según
este procedimiento adolece del defecto de que los costes de
fabricación son más reducidos en comparación con los árboles de
levas forjados o ensamblados, pero la resistencia al desgaste de la
superficie de las levas es insuficiente. No es posible practicar el
procedimiento de remodelación de alta presión interna con un
material que garantiza la resistencia al desgaste. Además, no es
posible generar una superficie de deslizamiento plana de las levas
con una separación reducida de las levas en el árbol, tal como se
requiere generalmente en motores de automóviles, dado que, en los
puntos de mayor grado de remodelado, el material se debilita
forzosamente, lo que influye negativamente en la resistencia.
Si para el árbol hueco se utiliza un material que
contribuye a reducir estos defectos, entonces éste permite una
buena remodelación, pero la dureza o la resistencia al desgaste no
pueden conseguirse propiamente mediante un proceso de
endurecimiento posterior. Sin embargo, la dureza y la resistencia al
desgaste de las levas son un requisito básico para una vida útil
larga de los árboles de levas en el motor de automóviles. También
es muy difícil, en caso de que sea posible, conseguir el grosor de
material necesario en todo el área del árbol de levas, es decir, el
propio árbol y, especialmente, los flancos y puntas de la
leva.
leva.
Además, se conoce el fabricar secciones de tubo
que forman la vía de levas con un perfilado excéntrico y
reforzarlos utilizando una unión por ajuste prensado. La
fabricación de la leva se realiza mediante un remodelado explosivo
de un tubo. Las levas individuales se sujetan en el árbol de levas
desplazadas entre sí de forma correspondiente (DD 243 223). Estos
árboles de levas fabricados actualmente requieren un gran esfuerzo
de fabricación y tienen un gran peso. El proceso de remodelado
plástico no puede controlarse en función del tiempo.
La invención se basa en el objetivo de crear un
procedimiento para fabricar árboles de levas con el cual,
utilizando el procedimiento conocido de remodelación de alta
presión interna, pueden fabricarse árboles de levas que son
resistentes, presentan una reducida deformación permanente, poseen
una alta resistencia a la torsión y poseen una gran rigidez a la
flexión en las superficies de carga en los flancos y puntas de las
levas. El procedimiento de fabricación debe ser sencillo. Debe
suprimirse una aplicación de una capa adicional, es decir, una capa
protectora contra el desgaste, en una etapa adicional del proceso,
así como los costosos tratamientos mecánicos posteriores. El empleo
de materiales debe ser reducido. Debe reducirse el número de piezas
individuales necesarias para todo el árbol de levas en comparación
con los procedimientos de fabricación conocidos para los árboles de
levas.
Según la invención, el objetivo se consigue según
las características de las reivindicaciones 1 y 8. Las
configuraciones ventajosas están descritas en las reivindicaciones 2
a 7 y 9 a 17.
La esencia de la invención consiste en que en un
procedimiento separado se fabrican anillos de soporte
correspondientemente duros y resistentes al desgaste con grosores
de pared reducidos y la forma definitiva de la leva, estos anillos
de soporte se colocan mediante remodelación de alta presión interna
(denominada RAPI) en una herramienta RAPI y, mediante la
herramienta RAPI y las fuerzas axiales introducidas en el tubo en
conexión con las fuerzas internas generadas mediante un medio de
presión, se realiza una remodelación del tubo en una o dos etapas
para formar el árbol de levas.
Al finalizar el proceso de remodelación, se
efectúa la unión de la leva en arrastre de fuerza y forma con el
anillo de soporte. En los extremos del árbol de levas están
dispuestos elementos de apoyo, conocidos en sí mismos, que se
sujetan de forma conocida.
En otra configuración ventajosa del
procedimiento, en una etapa del procedimiento que se antepone al
procedimiento mencionado anteriormente, se deforma un tubo, hecho
de un material que cumple los requisitos mecánicos y las
propiedades necesarias para la deformación, mediante el modelado
conocido, también denominado "reducción rotatoria", o el
recalcado, de manera que se remodela de forma dúctil todo o parte
del tubo, o sólo los extremos del árbol de levas, es decir, por
ejemplo, se estiran y / o se engrosar. En los extremos se crean
elementos de moldeo para los elementos de accionamiento y control,
por ejemplo, el asiento para las ruedas dentadas. En las siguientes
etapas del procedimiento mencionadas anteriormente, mediante el
procedimiento RAPI se ensancha el tubo en el área en el que están
dispuestas las levas, de modo que anteriormente se introducen en la
herramienta RAPI los anillos de soporte de forma correspondiente a
las posiciones de las levas.
En las levas que se desarrollan de forma muy
puntiaguda, cuando los anillos de soporte tienen un mismo grosor de
pared, aparece la desventaja de que el tubo está sujeto a un alto
grado de remodelación y, en determinadas circunstancias, es
necesario un proceso de remodelación de varias etapas. Con ello,
aumentan los costes de fabricación al tiempo que desciende la
productividad. Además, fuera del árbol de levas, en la culata,
existen contornos perturbadores entre o junto a las levas. Éstas
limitan el espacio estructural disponible y se dificulta el proceso
RAPI. Esta limitación se elimina, en caso de que sea posible, sólo
mediante un complicado proceso RAPI de varias etapas. Esto requiere
a su vez altos costes de fabricación. Por tanto, una configuración
ventajosa del procedimiento o del árbol fabricado acorde con él
consiste en que los anillos de soporte, que se fabrican en un
procedimiento separado, se corresponden por fuera con el contorno
limitado funcionalmente y, en el interior, presentan un diámetro
algo mayor que el del tubo. El espesor de pared del anillo de
soporte no es uniformemente grueso, sino que en el área de la punta
de las levas presenta un grosor mayor. Esto significa que el anillo
de soporte tiene un grosor variable como las levas y el contorno
interior no es ningún círculo.
El procedimiento según la invención consiste
fundamentalmente en que dos o varios modernos procedimientos de
fabricación conocidos se combinan entre sí.
Es ventajoso aplicar como mínimo una acanaladura
de forma radial en el anillo de soporte para evitar el
desplazamiento lateral del anillo de soporte, rellenándose esta
acanaladura con material del árbol bajo la acción de la
presión.
Otra configuración ventajosa del procedimiento
consiste en que se sujetan elementos de accionamiento y / o control
en el árbol también mediante el procedimiento RAPI. Asimismo,
pueden generarse superficies de apoyo mediante el ensanchamiento
del tubo mediante el procedimiento RAPI. Es ventajoso en especial
el endurecimiento por deformación en frío del material del tubo que
se origina a consecuencia del proceso de deformación dúctil.
El árbol de levas fabricado de acuerdo con el
procedimiento según la invención tiene un peso muy ligero debido a
las levas huecas y a los anillos de soporte de pared muy fina y
tiene una gran rigidez. Existe la ventaja de que los anillos de
soporte no deben ser mecanizados posteriormente o sólo un poco. Su
dureza ya viene dada de forma correspondiente a los requisitos, lo
que ahorra temples posteriores de lo contrario habituales, por
ejemplo, el temple por inducción o temple por refundición en un
proceso de vacío.
Gracias a la configuración adicional del
procedimiento, aparece otra ventaja adicional, ya que, a diferencia
de todos los procesos de fabricación conocidos, la reducción
rotatoria o el recalcado, junto con el procedimiento RAPI, requiere
un esfuerzo de fabricación muy pequeño y, por tanto, también costes
reducidos. Estos disminuyen sobre todo porque el número de piezas
individuales independientes a fabricar y, a continuación, a
ensamblar es muy reducido. Gracias a la fabricación según la
invención se suprimen fuentes de errores que podría aparecer
mediante el ensamblado de piezas finales que se realizaba hasta el
momento. Una ventaja fundamental del procedimiento consiste también
en que, gracias al proceso de modelación, pueden fabricarse
elementos funcionales que requieren un mecanizado posterior muy
reducido en su geometría, precisión dimensional y calidad
superficial. A menudo, sólo es necesario un proceso abrasivo para
alcanzar el estado acabado.
El árbol de levas fabricado de acuerdo con el
procedimiento según la invención se compone de un número reducido
de piezas individuales. Al finalizar el proceso de remodelación,
los anillos de soporte están unidos con el árbol en arrastre de
fuerza y de forma.
También es ventajoso dotar de biseles al anillo
de soporte por uno o por los dos lados en el lado dirigido al tubo.
De esta forma, también se evita el desplazamiento lateral en el
árbol.
Una realización ventajosa de los anillos de
soporte consiste en que el anillo de soporte, en contraposición al
estado de la técnica, está hecho de materiales sintéticos o de
materiales sinterizados. Estos materiales ofrecen la ventaja de una
fabricación sencilla con bajos costes de fabricación.
Pueden utilizarse además materiales cerámicos.
Estos tienen la ventaja de producir, con las máximas resistencias
al desgaste y el peso mínimo, los árboles de levas más ligeros.
Otra configuración ventajosa del árbol de levas
consiste en que el tubo está hecho de aluminio o titanio. De esta
forma, el árbol de levas es muy ligero.
La invención se describe en dos ejemplos de
realización. Los dibujos correspondientes muestran en
la figura 1: un corte longitudinal a través de un
árbol de levas acabado,
la figura 2: un corte transversal a través de una
leva en el árbol,
la figura 3: un detalle en corte transversal a
través de una leva en el árbol,
la figura 4: un árbol de levas con extremos
deformados mediante reducción rotatoria / recalcado,
la figura 5: un árbol de levas con anillos de
soporte de grosor variable en corte.
Las figuras 1 a 3 muestran la fabricación de un
árbol de levas según el procedimiento RAPI.
En un tubo 1 de pared fina hecho de un material
que puede deformarse fácilmente se fabrica el árbol de levas de
forma aproximada al contorno en un molde para el prensado; es
decir, los puntos en los que se asienta una leva 2 se conforman de
modo correspondiente a las dimensiones de la leva 2 y su posición.
El árbol con sus levas es un único cuerpo hueco. En un proceso
conocido se fabrican de forma independiente anillos 3 de soporte,
tal como puede observarse en las figuras 2 y 3. Para ello, por
ejemplo, se perfila un tubo hecho de material resistente al
desgaste, de manera que viene dada la forma definitiva del anillo 3
de soporte (leva), y se endurece. El tubo 1 prefabricado, que se
remodela para formar el árbol de levas, se desplaza a través de los
anillos 3 de soporte y, junto con ellos, se introduce en la
herramienta de remodelado abierta. De esta forma, todas las piezas
individuales están fijadas en su posición. La herramienta de
remodelado se cierra de forma axial y la entrada de fuerzas para el
remodelado puede realizarse de forma radial. La entrada de fuerzas
comienza con una fuerza axial definida en el tubo 1 y / o la
herramienta, soportada por una presión interna definida en el tubo
1. Tras el cierre total de la herramienta de forma axial y radial,
con un proceso RAPI puro, se lleva a cabo la unión en arrastre de
forma y fuerza del tubo 1 y el anillo 3 de soporte. Al final del
tubo 1 se montan elementos 5 de accionamiento o soporte de forma
conocida. También es posible sujetarlos en el tubo 1 mediante el
proceso RAPI.
También es posible realizar una acanaladura 4 de
forma radial en el interior del anillo 3 de soporte, con lo que se
mejora la sujeción en las levas 2, ya que esta acanaladura 4 se
rellena con el material del tubo 1. También es posible dotar de
fases al anillo 3 de soporte en el diámetro interno, las cuales se
llenan con material en el proceso RAPI que cierra
herméticamente.
En otro ejemplo, la fabricación de un árbol de
levas mediante el procedimiento RAPI se describe en combinación con
los procesos de modelado según la figura 4.
El tubo 1, hecho de un material que puede
deformarse fácilmente, se deforma engrosándose en sus extremos
mediante reducción rotatoria o recalcado. De esta forma, en un lado
se reduce su diámetro D_{I} interno y se fabrica su diámetro
D_{A} externo, de manera que se origina una zona 6 que refuerza el
árbol de levas. En el extremo más exterior se origina un elemento 7
funcional cuyo asiento se lleva a su medida final mediante
rectificado. También se reduce el diámetro D_{I} interno en el
otro extremo, igualmente mediante el modelado o recalcado, al mismo
tiempo que el modelado del extremo ya descrito, y se crea otro
elemento 7 funcional (asiento del soporte, levas de control, etc.).
En la siguiente etapa del procedimiento también se recalca
conjuntamente el collar 8, que es necesario para sujetar mediante
bridas otras agrupaciones. Tras la primera etapa del procedimiento
se sujetan los anillos 3 de soporte, fabricados en un procedimiento
independiente, que corresponden a la forma de las levas, y la rueda
de cadena (no mostrada) en arrastre de fuerza y forma mediante el
procedimiento RAPI. Para ello, los anillos 3 de soporte y la rueda
de cadena se introducen en la herramienta RAPI.
En la figura 5 se muestra una forma de
realización del árbol de levas en la que el anillo 3 de soporte
posee un grosor diferente.
El tubo 1, hecho de un material que puede
deformarse fácilmente, tiene un diámetro d_{a} externo. El anillo
3 de soporte, hecho de metal sinterizado, tiene por fuera la forma
condicionada funcionalmente y en el interior no es un círculo. Su
diámetro D_{I} interno es algo mayor que el diámetro d_{a}
externo del tubo 1. El grosor del anillo 3 de soporte no es
constante. La altura A, que se origina cuando se parte de un grosor
constante del anillo de soporte, es mayor que la altura A' de la
deformación máxima del tubo 1 y, con ello, el radio R_{i}' en la
zona de la deformación del tubo 1 es mayor en comparación con
R_{i} en el caso del mismo grosor c supuesto del anillo 3 de
soporte. En esta zona, el grosor c' del anillo 3 de soporte es mayor
y se desarrolla al grosor c constante.
Si también el anillo 3 de soporte en esta forma
es ligeramente más caro en su fabricación, entonces prevalecen los
costes reducidos para el procedimiento RAPI, que es posible en una
sola etapa.
Claims (17)
1. Procedimiento para fabricar un árbol de levas
a partir de un tubo (1), el cual se deforma mediante la acción de
fuerzas axiales y un medio con alta presión interna,
caracterizado porque el anillo (3) de soporte, fabricado en
un procedimiento separado, que corresponde con el contorno de las
levas, la dureza, solidez y resistencia al desgaste necesarias,
junto con el tubo (1) a remodelar se introducen en una herramienta
de remodelado de alta presión interna, y porque, mediante la acción
de fuerzas axiales y de un medio con una alta presión interna, se
configuran levas (2) mediante ensanchamiento del tubo (1), y los
anillos (3) de soporte se sujetan en las levas (2) en arrastre de
fuerza y de forma.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque, en una primera etapa del procedimiento
anterior a la remodelación de alta presión interna, las áreas,
preferiblemente los extremos del tubo (1) que están fuera del área,
en las que se asientan las levas (2) se modelan y / o recalcan de
manera que éstas se ensanchan y / o estiran y, con ello, se forman
otros elementos funcionales.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque entre los extremos de los árboles de
levas, en la primera etapa del procedimiento anterior a la
remodelación de alta presión interna, las superficies de apoyo y las
áreas posteriores en las que se asientan las levas (2) se generan
mediante reducción rotatoria, reduciendo el diámetro en esta área a
una medida deseada.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque entre las levas (2) se generan
superficies de apoyo mediante remodelación de alta presión interna,
por medio del ensanchamiento del tubo (1).
5. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los anillos (3)
de soporte se endurecen de forma conocida antes de introducirlos en
la herramienta de remodelado de alta presión interna.
6. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque una rueda
dentada o de cadena fabricada en una etapa independiente se
introduce en la herramienta de remodelado de alta presión interna y
se une en arrastre de fuerza y / o forma mediante la remodelación de
alta presión interna.
7. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque, tras fabricar
los extremos engrosados o estrechados del árbol de levas mediante
reducción rotatoria, en una etapa adicional del procedimiento
integrada en esta etapa del procedimiento, se fabrica un dentado
interno y / o una rosca.
8. Árbol de levas, fabricado según la
reivindicación 1, que presenta un tubo (1) y elementos funcionales
unidos con el tubo (1), especialmente levas (2),
caracterizado porque las levas (2) están configuradas de
forma aproximada al contorno respecto a la forma y posición,
mediante un procedimiento de remodelación de alta presión interna,
por medio de la deformación del tubo (1), porque un anillo (3) de
soporte formado según el contorno de las levas, hecho de un
material duro resistente al desgaste, está montado en las levas (2)
en arrastre de fuerza y de forma, y porque en los extremos del tubo
(1) están montados elementos de soporte y / o accionamiento y / o
control.
9. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque los anillos (3) de soporte poseen el
mismo grosor de pared.
10. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque el grosor de los anillos (3) de soporte
es variable, de modo que el grosor es mayor en el área de la punta
de las levas.
11. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque el anillo (3) de soporte está compuesto
de metal sinterizado, material sintético o cerámica.
12. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque el tubo (1) está hecho de aluminio,
magnesio o titanio, o sus aleaciones.
13. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque los extremos del tubo (1) están
deformados mediante modelado de tal manera que, mediante el
ensanchamiento o estrechamiento del diámetro (D_{i}; d_{a})
original del tubo (1), se generan superficies de apoyo, elementos de
accionamiento y / o control y roscas interiores y / o
exteriores.
14. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque los elementos de accionamiento y
control, preferiblemente ruedas dentadas o de cadena, se montan
mediante el procedimiento de remodelación de alta presión
interna.
15. Árbol de levas según la reivindicación 14,
caracterizado porque en el anillo (3) de soporte y en los
elementos de accionamiento y control está realizada al menos una
acanaladura (4) que discurre de forma radial.
16. Árbol de levas según la reivindicación 14,
caracterizado porque el lado dirigido al tubo (1) del anillo
(3) de soporte y los elementos de accionamiento presenta biseles
por uno o por los dos lados del lado dirigido al tubo (1).
17. Árbol de levas según la reivindicación 8,
caracterizado porque el anillo (3) de soporte se endurece
antes de montarlo en las levas modeladas.
Applications Claiming Priority (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999109184 DE19909184C2 (de) | 1999-03-03 | 1999-03-03 | Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und danach hergestellte Nockenwelle |
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