ES2296223T3 - Dispositivo de cojinete. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de cojinete con una primera pieza (2) del cojinete y una segunda pieza (3) del cojinete, las cuales actúan juntas en contacto de apoyo, en el cual la primera pieza (2) del cojinete y la segunda pieza (3) del cojinete están provistas respectivamente de una capa de superficie (21, 31), siendo la dureza de la capa de superficie (21) de la primera pieza (2) del cojinete más elevada que la dureza de la capa de superficie (31) de la segunda pieza (3) del cojinete, caracterizado porque la capa de superficie (21) de la primera pieza (2) del cojinete es una capa de superficie (21) que contiene hierro, la cual presenta al menos la siguiente composición: Carbono = 0, 1% a 1, 15% en peso Manganeso = 0, 1% a 0, 8% en peso Azufre = 0, 1% a 2% en peso Cobre 0, 1% a 12% en peso Hierro = resto hasta el 100% en peso.
Description
Dispositivo de cojinete.
La invención se refiere a un dispositivo de
cojinete conforme al preámbulo de la reivindicación
independiente
1.
1.
Los cojinetes de deslizamiento y de rodadura
ocupan en la técnica la mayor parte de los cojinetes empleados.
Bajo el concepto cojinete se deben entender a continuación todas las
partes que definen la función del cojinete, rodando o,
respectivamente, deslizándose unas sobre otras.
Junto con el rozamiento que se produce al rodar
y/o deslizar una sobre otra las superficies del cojinete se unen en
general fenómenos de desgaste, especialmente en las superficies de
desplazamiento del cojinete. Para que estos fenómenos de desgaste
no obliguen a cambiar el dispositivo del cojinete completo se
utilizan en los cojinetes de deslizamiento entre otras cosas
casquillos de cojinete que, una vez desgastados, se puedan
recambiar. No obstante, con ello se complica esencialmente la
estructura constructiva del cojinete y el recambio de los
casquillos del cojinete obliga, además, a un costoso proceso de
mantenimiento.
Para apoyar cigüeñales y bielas en los motores
de combustión se utilizan con frecuencia, por ejemplo, cojinetes de
deslizamiento, en especial cojinetes de deslizamiento partidos, con
casquillos de cojinete. En parte se emplea también el apoyo
combinado en cojinetes de deslizamiento y de rodadura. Por regla
general, los cigüeñales se fabrican de aceros forjados o de
fundición nodular, de acero moldeado, de fundición maleable o de
materiales sinterizados. Los casquillos de cojinete en la mayoría
de los casos se realizan del modo denominado como cojinete en dos o
en tres capas. No obstante, la fabricación de esta clase de
casquillos de cojinete es relativamente costosa. En el caso de
altos rendimientos de rodaje de la máquina los casquillos de
cojinete también se desgastan finalmente, de modo que se hace
necesario sustituir los casquillos. Como ya se indicó anteriormente,
la sustitución de los casquillos del cojinete en estas máquinas, va
unida a elevados costes.
Del documento US 3,891,287 se conoce un
dispositivo de cojinete conforme al preámbulo de la reivindicación
1, a saber un muñón de cigüeñal con un ojal de biela alojado sobre
él. Entre las dos partes del cojinete está colocado un casquillo de
cojinete, que tiene una superficie de apoyo de plomo o de estaño. El
muñón del cigüeñal está provisto de una fina capa de cobre. Las
desventajas mencionadas anteriormente en relación con los
casquillos de cojinete, están presentes también en este dispositivo
de cojinete conocido.
Por lo tanto, es misión de la invención proponer
un dispositivo de cojinete mejorado, que sea sencillo en su
construcción, con el cual se reduzca claramente el coste de
mantenimiento y se prolongue esencialmente el periodo de vida del
dispositivo de cojinete.
Los objetos de la invención que resuelven esta
misión desde el punto de vista de los aparatos, se caracterizan por
las características de la reivindicación independiente 1. Las
reivindicaciones subordinadas se refieren a formas de ejecución de
la invención, particularmente ventajosas.
La invención se refiere, por tanto, a un
dispositivo de cojinete con una primera pieza del cojinete y una
segunda pieza del cojinete, que actúan conjuntamente en contacto de
apoyo, estando provistas respectivamente la primera pieza del
cojinete y la segunda pieza del cojinete de una capa de superficie,
siendo la dureza de la capa de superficie de la primera pieza del
cojinete mayor que la dureza de la capa de superficie de la segunda
pieza del cojinete y siendo la capa de superficie de la primera
pieza del cojinete una capa de superficie que contiene hierro, la
cual presenta al menos la siguiente composición:
Carbono = 0,1% a 1,15% en peso
Manganeso = 0,1% a 0,8% en peso
Azufre = 0,1% a 2% en peso
Cobre 0,1% a 12% en peso
Hierro = resto hasta 100% en peso
\vskip1.000000\baselineskip
Por contacto de apoyo se debe entender, que la
primera y la segunda pieza del cojinete se mueven una sobre otra de
forma deslizante o rodante o, por ejemplo, que en reposo están
apoyadas una dentro de otra. Cuando en el marco de esta solicitud
de patente se menciona que las piezas del cojinete presentan una
capa de superficie, quiere esto decir, que cada una de las piezas
del cojinete presenta una superficie de apoyo o una superficie de
desplazamiento y estas superficies de apoyo o, respectivamente, de
desplazamiento, están provistas de una capa de superficie aplicada
por proyección térmica. Las superficies de desplazamiento de la
primera y de la segunda pieza del cojinete son las superficies con
las cuales las dos piezas del cojinete están en contacto de
apoyo.
Con el recubrimiento de dureza diferente de las
dos piezas del cojinete es ahora posible dar a éstas una forma
óptima en cuanto a sus propiedades de deslizamiento y minimizar de
este modo, por un lado el coste constructivo del dispositivo de
cojinete frente al estado actual de la técnica y, por otro lado,
aumentar claramente el periodo de vida del dispositivo de cojinete.
Así, por ejemplo, se pueden suprimir ahora los casquillos del
cojinete, es decir las dos piezas del cojinete se pueden colocar
directamente en contacto de apoyo.
Por esta elección y colocación especiales de las
capas de superficie de diferente dureza se consigue que, entre
otras cosas, la resistencia por rozamiento entre las dos piezas del
cojinete sea mínima y que la tendencia de las dos piezas del
cojinete al desgaste por adherencia o, respectivamente, por
mordedura, denominada también "scuffing", prácticamente
desaparezca.
Se ha puesto de manifiesto, que cuando capas de
superficie de dureza similar se deslizan una sobre otra, por regla
general se produce un desgaste mayor. Esto radica en que, por
ejemplo en el caso de capas de superficie relativamente duras,
ninguna de las dos capas posee una ductilidad suficientemente
elevada como para reducir por deformación, en particular por
deformación plástica, las tensiones mecánicas, en parte muy
elevadas, que se producen. En consecuencia de ello, las partes de
las dos superficies que provocan las tensiones mecánicas son
arrancadas, en casos particulares se pueden partir.
Por otra parte se ha comprobado, que cuando dos
capas de superficie relativamente blandas se deslizan una sobre
otra, en general se produce en gran medida rozamiento y calor de
rozamiento. El rozamiento se produce porque, dada la relativamente
alta ductilidad de las dos capas de superficie, éstas bajo una
presión de aproximación se deforman de tal modo que rozan entre sí
en una porción relativamente elevada de su superficie de
desplazamiento o de apoyo. Además, la tendencia de las capas de
superficie blandas a adherirse entre sí es, en general, mayor que
en el caso de las capas de superficie duras. A causa de estas
propiedades de las dos capas de superficie, por ejemplo en el caso
de deslizamiento de las dos capas una sobre otra, se arrancan partes
de la superficie, lo que de nuevo significa un incremento del
desgaste y, en casos extremos, se gripan.
Un conocimiento esencial de la presente
invención es, que cuando una capa de superficie relativamente dura
se desliza o rueda sobre una capa de superficie relativamente
blanda, como es el caso del dispositivo de cojinete conforme a la
invención, los procesos de desgaste mencionados anteriormente
desaparecen en su mayor parte. La capa de superficie dura genera
tensiones en la capa de superficie blanda, la cual sin embargo las
puede eliminar por su relativamente alta ductilidad y por
consiguiente no resulta dañada por ello. Puesto que la capa de
superficie dura apenas se adhiere a la capa de superficie blanda,
tampoco arranca de ésta prácticamente ningún componente de la
superficie. Y por la dureza relativamente baja de la capa de
superficie blanda ésta no aporta la fuerza necesaria para dañar la
capa dura.
Otra ventaja más de la forma y disposición de
las capas de superficie en el marco del dispositivo de cojinete
conforme a la invención es que el dispositivo de cojinete, al
contrario que los dispositivos de cojinete conocidos en el estado
actual de la técnica, es insensible frente a la presencia eventual
de impurezas. Estas impurezas son, por ejemplo, pequeñas partículas
sólidas que, por ejemplo, no sólo en el caso de lubricación húmeda
o, respectivamente, por un líquido, particularmente en el caso de
la lubricación por aceite, se sitúan junto con el aceite entre las
superficies de desplazamiento de las dos piezas del cojinete. En los
dispositivos de cojinete conocidos en el estado actual de la
técnica, por estas impurezas se llega, por ejemplo, a arañar las
superficies de desplazamiento, lo que conduce a un aumento del
desgaste y con ello a un fallo prematuro del dispositivo de
cojinete. En el dispositivo de cojinete conforme a la invención
estas impurezas se incrustan en determinadas zonas en una o en
ambas capas de superficie y, por consiguiente, ya no pueden dañar
las superficies o, respectivamente, las capas de superficie de las
superficies de desplazamiento de las dos piezas del cojinete.
Para excluir adicionalmente un daño de las
superficies de desplazamiento de las dos piezas del cojinete, la
capa de superficie sobre el material base de la primera pieza del
cojinete se construye de forma especialmente dura, cuando la
superficie de desplazamiento de la segunda pieza del cojinete
presenta la capa superficial blanda. En el marco de esta solicitud
de patente se entiende por material base, el material soporte de la
capa de superficie, por ejemplo el material de un cigüeñal en el
lugar del cojinete.
Por el emparejamiento de una capa de superficie
lo más dura posible con una relativamente blanda sobre la
respectiva superficie de desplazamiento de cada pieza de cojinete,
se obtienen resultados de apoyo óptimos en cuanto a la reducción a
un mínimo el rozamiento y resistencia al desgaste del dispositivo
de cojinete.
Con qué capa de superficie se provee cada pieza
del cojinete depende de las exigencias concretas al dispositivo de
cojinete. Por ejemplo, puede ser recomendable proveer la pieza del
cojinete que sea más fácil de reemplazar con la capa de superficie
más blanda, puesto que esta capa de superficie por regla general se
desgasta antes que la capa de superficie dura. No obstante, el
periodo de vida útil de la capa de superficie relativamente blanda
es aún varias veces mayor que la de un elemento comparable del
estado actual de la técnica, como por ejemplo la de un casquillo de
cojinete.
Naturalmente existen todavía otros muchos
aspectos que pueden tener importancia en la elección de los
recubrimientos.
A continuación se exponen con mayor detalle las
capas de superficie. La capa base de cobre relativamente blanda
presenta la siguiente composición:
Cinc = 5% a 30% en peso
Estaño = 1% a 10% en peso
Silicio = 0,1% a 3% en peso
Aluminio = 0,1% a 7% en peso
Hierro = 0,01% a 2% en peso
Manganeso = 0,01% a 4% en peso
Cobalto = 0,01% a 3% en peso
Cobre = resto hasta 100% en peso
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación, para el concepto de capa base de
cobre también se utilizará el concepto de capa de superficie que
contiene cobre.
La capa base de hierro presenta la siguiente
composición:
Carbono = 0,1% a 1,5% en peso
Manganeso = 0,1% a 8% en peso
Azufre = 0,1% a 2% en peso
Cobre = 0,1% a 12% en peso
Hierro = resto hasta 100% en peso
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación, para el concepto de capa base de
hierro se utilizará también el concepto de capa de superficie que
contiene hierro.
A continuación se expondrá en primer lugar la
capa de superficie que contiene hierro, así como sus
propiedades.
En un ejemplo de ejecución el dispositivo de
cojinete conforme a la invención se construye de tal modo que la
capa de superficie que contiene hierro contiene adicionalmente 0,01%
a 0,2% en peso de fósforo. El fósforo mejora notablemente la
resistencia mecánica de la capa de superficie y aumenta con ello su
resistencia al desgaste.
En otro ejemplo de ejecución el dispositivo de
cojinete conforme a la invención se provee con una capa de
superficie que contiene hierro, la cual adicionalmente contiene 0,1%
a 20% en peso de molibdeno y/o adicionalmente de 5% a 20% en peso
de cromo. Especialmente, la presencia de cromo y molibdeno en la
capa de superficie aumenta de forma determinante su resistencia a
la corrosión, por ejemplo frente a sustancias agresivas que, por
ejemplo, pueden estar contenidas en un agente lubricante para
lubricar un cojinete o se forman en el funcionamiento de una
máquina de combustión o que, de otro modo, entran en contacto con la
superficie recubierta.
Para mejorar las propiedades de lubricación en
seco de la capa de superficie que contiene hierro, en otro ejemplo
de ejecución se ha construido el dispositivo de cojinete de manera
que la capa de superficie que contiene hierro contiene MnS como
sustancia lubricante en seco y la proporción de manganeso se
encuentra entre 1% y 2,5% en peso, preferentemente en 1,7% en peso,
y la proporción de azufre se encuentra entre 0,5% y 1,5% en peso,
preferentemente en 1% en peso.
Para aumentar aún más las buenas propiedades de
desplazamiento, por ejemplo las propiedades de deslizamiento, de la
capa de superficie con contenido de hierro, en otro ejemplo de
ejecución se ha construido el dispositivo de cojinete de tal manera
que la capa de superficie que contiene hierro presenta una matriz
base de hierro-\alpha.
Además, el dispositivo de cojinete se puede
construir de tal manera que la capa de superficie que contiene
hierro contenga carburos, particularmente Fe_{x}C_{y},
preferentemente Fe_{3}C. Estos carburos aumentan esencialmente la
resistencia mecánica de la capa de superficie. Los finos granos de
carburo impiden el desplazamiento de las dislocaciones en la capa
de superficie y, de este modo, la estabilizan mecánicamente.
\newpage
Para alcanzar mejores propiedades del
dispositivo de cojinete en cuanto a sensibilidad frente a la
suciedad, es decir, para aumentar el periodo de vida útil del
dispositivo de cojinete, la capa de superficie que contiene hierro
se construye de tal manera que presente segregaciones de cobre que
formen fases separadas más blandas que una matriz de cobre. Estas
segregaciones de cobre tienen una buena capacidad de incrustación
para pequeñas partículas de suciedad, cuyo tamaño se puede
encontrar en márgenes micrométricos, por ejemplo de 1 \mum. Por
esta incrustación de las partículas de suciedad en las segregaciones
de cobre se evita, por ejemplo, el peligro de un dañado de las
superficies o del fenómeno generalmente conocido como
"gripado".
Las zonas que contienen las segregaciones de
cobre tienen una dureza relativamente baja y pueden acoger, así,
particularmente cuerpos extraños duros, los cuales se introducen
entre las piezas del cojinete. Esto ocurre al introducirse o,
respectivamente, embutirse los cuerpos extraños en las zonas con las
segregaciones de cobre. De este modo, las superficies de las piezas
de cojinete se protegen de desperfectos causados por las partículas
extrañas duras. Es decir, las segregaciones de cobre, por así
decirlo, eliminan por filtración los cuerpos extraños duros, es
decir, los cuerpos extraños son almacenados de forma duradera en las
segregaciones que contienen cobre.
Como ya se explicó, la capa de superficie que
contiene hierro presenta fases de cobre aisladas, que forman los
correspondientes volúmenes aislados de cobre. Estas segregaciones de
cobre forman zonas relativamente blandas, esto es, zonas de menor
dureza en la capa que contiene hierro, por lo demás relativamente
dura. La dureza de estas zonas de cobre o, respectivamente, con
cobre, se puede situar en este caso, por ejemplo entre 80 HV 200
HV, en donde como es habitual HV significa dureza Vickers y, de
preferencia, en aproximadamente 100 HV, mientras que la capa que
contiene hierro puede tener en las zonas sin segregaciones de cobre
durezas entre 300 y 500 HV, preferentemente una dureza de
aproximadamente 400 HV.
Por consiguiente, es especialmente ventajoso
proveer con una capa de superficie que contenga hierro, por ejemplo,
la capa de superficie de una de las piezas del cojinete de un
dispositivo de cojinete de lubricación húmeda, como por ejemplo el
cigüeñal de un motor de combustión y/o la biela que está en contacto
de apoyo con él y/o el asiento para el cigüeñal. En general, estos
cojinetes se lubrican con un aceite lubricante que puede contener
impurezas de todo tipo, tales como, por ejemplo, de desgastes por
abrasión, las cuales se pueden originar en los puntos más diversos
de la máquina de combustión. Aunque con frecuencia se prevean los
correspondientes dispositivos de filtración, como por ejemplo el
filtro de aceite en un motor a gasolina o en un motor Diesel de un
vehículo, sin embargo con ellos sólo se pueden separar por
filtración del aceite lubricante, de forma efectiva, partículas a
partir de un determinado tamaño. En especial, las partículas más
pequeñas, del orden de la micra, no se pueden separar por
filtración o únicamente de forma insuficiente, de manera que éstas
llegan a situarse, por ejemplo, entre las partes del cigüeñal que
se encuentran en contacto de apoyo y, una vez allí, llegan a dañar
a largo plazo este cojinete. Pero si las correspondientes
superficies están provistas de una capa de superficie que contenga
hierro con segregaciones de cobre, durante el trabajo del cojinete
la suciedad perjudicial se almacena en las blandas segregaciones de
cobre de la capa de superficie, de modo que las superficies que se
encuentran en contacto de apoyo ya no se dañan por las impurezas, es
decir por las partículas de suciedad.
A continuación, se describirán a partir de aquí
las propiedades de la capa de superficie con contenido de cobre, la
cual tiene una dureza inferior a la de la capa de superficie que
contiene hierro.
En un ejemplo de ejecución particularmente
preferente para la práctica, la capa de superficie que contiene
cobre consta de una matriz base de cobre \alpha. Esta matriz
constituye un material base relativamente blando para la capa de
superficie, con propiedades especialmente buenas, en particular con
buenas propiedades de deslizamiento.
En otro ejemplo de ejecución preferente el
dispositivo de cojinete está construido de tal modo que la capa de
superficie que contiene cobre contiene adicionalmente 0,01% a 1% en
peso de titanio. Con la adición de titanio se puede variar la
dureza de la capa de superficie dentro de determinados límites, lo
que es necesario, por ejemplo, para ajustar una con otra de forma
óptima el emparejamiento de las capas de superficie que contienen
cobre y las que contienen hierro.
Para asegurar las buenas propiedades de
desplazamiento de las piezas del cojinete del dispositivo de
cojinete, el dispositivo de cojinete se diseña, por ejemplo, de tal
modo que la capa de superficie que contiene cobre presente
segregaciones de hierro y/o cobalto y/o manganeso y/o silicio. Estas
sustancias forman fases duras en la capa de superficie dominada
cuantitativamente por cobre. Estas fases duras forman zonas
relativamente duras, es decir zonas con mayor dureza en la capa que
contiene cobre, por lo demás relativamente blanda. La dureza de
estas fases duras se puede situar en este caso entre 300 HV y 500
HV, preferentemente en 400 HV, significando HV como habitualmente
dureza Vickers. La matriz base que contiene cobre puede tener en
este caso una dureza comprendida entre 80 y 200 HV, preferentemente
100 HV.
En el caso de la lubricación en húmedo o por
líquidos, especialmente lubricación con aceite del dispositivo de
cojinete es importante que el lubricante, es decir, por ejemplo el
aceite, se transporte bien entre las dos superficies de
desplazamiento de las piezas del cojinete. Entre otros causas, esto
se consigue porque la capa de superficie que contiene hierro y/o la
que contiene cobre presenta en cada caso una porosidad de 0,5% a 5%
en volumen, especialmente entre 1% y 3%. El aceite penetra en los
poros y es transportado por ellos a lo largo de la superficie de
desplazamiento. Es decir, los poros actúan como bolsas de depósito,
en las cuales se encuentra suficiente aceite o, respectivamente,
lubricante, para asegurar la lubricación de las piezas del cojinete
incluso bajo complicadas condiciones de lubricación.
Al menos una de las dos capas de superficie, o
sea o bien la que contiene hierro o la que contiene cobre o las
dos, se mecanizan preferentemente después de su colocación en la
superficie de desplazamiento de las piezas del cojinete. En este
caso se ha puesto de manifiesto que de todos los procedimientos,
especialmente sobre todo los procedimientos con arranque de viruta,
la rectificación es el mejor adecuado para el tratamiento posterior
de la superficie. Por ello, en otro ejemplo de ejecución se
mecanizan las capas de superficie por rectificación.
En un ejemplo de ejecución particularmente
importante para la práctica, el cigüeñal de una máquina de
combustión está equipado con un dispositivo de cojinete conforme a
la invención. Por ejemplo, en un motor de seis cilindros en línea
el cigüeñal puede estar apoyado en cuatro cojinetes de deslizamiento
radiales, en un cojinete de deslizamiento axial y en dos cojinetes
de rodillo radiales. Además, entonces están apoyadas seis bielas en
los seis muñones del cigüeñal en seis cojinetes de deslizamiento
radiales. Las superficies de desplazamiento de las piezas
estacionarias del cojinete de los cojinetes de deslizamiento, en los
cuales se apoya un cigüeñal de este tipo, están provistas en este
caso con una de las capas de superficie especiales conformes a la
invención, la cual es, por ejemplo, una capa base de cobre.
En este caso, el cigüeñal está provisto en las
superficies de desplazamiento de las cinco puntos de cojinete de
deslizamiento y en las superficies de desplazamiento de los muñones
del cigüeñal con otra de las capas de superficie especiales, la
cual es, por ejemplo, una capa base de hierro. Además, las puntos de
apoyo de las bielas para los muñones del cigüeñal, es decir las
puntos de apoyo del cigüeñal para las bielas, denominadas en lo que
sigue ojales de biela, están provistas por ejemplo con la capa base
de cobre. También las superficies de desplazamiento de los anillos
interiores y exteriores de los dos cojinetes de rodillos del motor
de seis cilindros en línea, expuesto anteriormente como ejemplo,
están provistos en este ejemplo con esta capa base de cobre. Por el
contrario, los elementos de rodadura de los cojinetes de rodillo en
ejemplos de ejecución muy especiales, por ejemplo bolas, rodillos,
conos, etc. están provistos aquí con la capa base de hierro.
Esto significa, que en todos los dispositivos de
cojinete citados en este ejemplo de ejecución, en las piezas del
cojinete que se encuentran conjuntamente en contacto de apoyo se
realiza el emparejamiento de una capa de superficie relativamente
dura con una capa de superficie relativamente blanda. Por estos
dispositivos de cojinete conformes a la invención se puede
prescindir, por ejemplo, del empleo de casquillos de cojinete.
A pesar de ello, en condiciones de empleo
especiales, por ejemplo en el caso de una solicitación demasiado
elevada, puede ser eventualmente necesario seguir utilizando
casquillos de cojinete. En este caso, por ejemplo, los casquillos
se proveen con una capa de superficie relativamente blanda, por
ejemplo con la capa base de cobre y la otra pieza del cojinete a
apoyar, con una capa de superficie relativamente dura, por ejemplo
con la capa base de hierro. Con este dispositivo de cojinete
conforme a la invención se consigue, por ejemplo, un periodo de
vida útil mucho más amplio o una mayor capacidad de carga que con
los casquillos de cojinete conocidos en el estado actual de la
técnica.
A continuación se explica la invención con más
detalle con ayuda de los dibujos. Muestran en representación
esquemática, no a escala:
Fig. 1 un dispositivo de cojinete de
deslizamiento conforme a la invención;
Fig. 2 un dispositivo de cojinete de rodillos
conforme a la invención;
Fig. 3 una sección de un dispositivo de
cojinete conforme a la invención de un cigüeñal.
La Fig. 1 muestra en una representación
esquemática un dispositivo de cojinete de deslizamiento 1 conforme
a la invención, el cual puede admitir fuerzas en sentido axial, es
decir en sentido del eje A. Se puede ver la primera pieza 2 del
cojinete en forma de un eje con disco de apoyo 201. Sobre este
disco de apoyo 201 del cigüeñal se encuentra la superficie de
desplazamiento con la capa de superficie dura 21. El eje 201 se
apoya en estado montado sobre la superficie de desplazamiento 32 de
la segunda pieza 3 del cojinete, aquí en forma de un apoyo de
cojinete 301 lubricado con aceite. Aplicado sobre la superficie de
desplazamiento 32 del apoyo del cojinete 3 se encuentra la capa de
superficie blanda 31. También se pueden ver las típicas ranuras 5
para aceite para cojinetes de deslizamiento y los taladros 6 para la
entrada de aceite.
En estado de funcionamiento, las impurezas que
aparecen eventualmente se incrustan dentro de la matriz de cobre de
la capa de superficie blanda 31 de la segunda pieza 3 del cojinete,
o en las zonas de cobre de la capa de superficie dura 21 de la
primera pieza 2 del cojinete y no pueden dañar las superficies de
las dos piezas del cojinete.
La Fig. 2 muestra en representación esquemática
un ejemplo de ejecución de un dispositivo de cojinete 1 conforme a
la invención, en forma de un cojinete de rodillos, el cual se ha
conformado aquí como corona de agujas 7. El dispositivo de cojinete
1, para su mejor visualización, se ha representado en forma de
dibujo despiezado. En principio, una corona de agujas 7 se puede
utilizar junto con todos los cigüeñales y/o casquillos de agujas
que tengan las dimensiones adecuadas. En este caso, generalmente
desaparecen, por ejemplo los anillos interiores y exteriores con
las superficies de desplazamiento, conocidos del cojinete de bolas.
La segunda pieza 3 del cojinete se realiza aquí por el cigüeñal 301
y el casquillo de agujas 401. La primera pieza 2 del cojinete se ha
marcado aquí como cuerpo rotatorio con la capa de superficie 21 que
contiene hierro. La segunda pieza 3 del cojinete se ha provisto con
la capa de superficie blanda 31. Se entiende, que también la
primera pieza 2 del cojinete pueda estar prevista con la capa de
superficie blanda 31 y la segunda pieza 3 del cojinete, con la capa
de superficie 21 que contiene hierro.
La Fig. 3 muestra otro ejemplo de ejecución de
un dispositivo de cojinete 1 conforme a la invención, el cual es de
especial importancia para la práctica. Para su mejor visualización,
las piezas, allí donde fue necesario, se representaron en sección.
Se muestra una sección de un dispositivo de cojinete 1 conforme a la
invención de un cigüeñal 201. También por razones de visualización
no se muestra la pieza superior del dispositivo de cojinete 1. En la
sección que se muestra, el cigüeñal 201 está provisto con la capa
de superficie dura 21 y se apoya en el cojinete de deslizamiento
radial 301. El cojinete de deslizamiento 301 está provisto con la
capa de superficie blanda 31. Para garantizar una lubricación con
aceite, en la segunda pieza 3 del cojinete, es decir en el cojinete
de deslizamiento 301, se han practicado una ranura 5 para aceite y
taladros 6 para la entrada de aceite. También se muestra aquí una
cigüeña 8, un muñón 9 de la cigüeña y una biela 10. La cigüeña 8,
para su mejor comprensión, se ha representado en sección. En la
cigüeña 8 se encuentra entre otros el muñón 9 de la cigüeña, el cual
en el punto de apoyo deslizante de la biela 10, está provisto con
la capa de superficie dura 21 que contiene hierro. La biela está
provista en este punto de apoyo con la capa de superficie blanda 31
que contiene cobre. Se prescindió aquí de más detalles del dibujo,
tales como taladros en el cigüeñal para la lubricación con aceite,
etc.
También aquí, en estado de funcionamiento, las
impurezas que aparecen eventualmente se incrustan en la matriz de
cobre de la capa de superficie blanda 31 de la segunda pieza 3 del
cojinete, es decir del cojinete de deslizamiento 301, o en las
zonas de cobre de la capa de superficie dura 21 de la primera pieza
2 del cojinete, es decir del cigüeñal 201, y no pueden dañar las
superficies de las dos piezas del cojinete. Este proceso transcurre
naturalmente de forma análoga para las capas de la superficie en el
punto de apoyo de la biela.
Una importante ventaja que se alcanza por la
aplicación de la capa de superficie dura 21 sobre el cigüeñal 201
en la zona del cojinete de deslizamiento 301 se puede ver en que
debido a la capa de superficie dura 21 se puede prescindir del
temple suplementario del cigüeñal 201 en esta zona (por ejemplo
temple por inducción), necesario sin esta capa de superficie. En el
ejemplo de ejecución que se muestra en la Fig. 3 se ha previsto la
capa de superficie dura 21 sobre un muñón de empuje del cigüeñal
201. Del mismo modo, esta capa de superficie dura 21 se puede
prever también sobre el muñón del cojinete principal del cigüeñal.
En los cigüeñales convencionales conocidos en el estado actual de
la técnica, los cuales no presentan las capas de superficie duras
21, es necesario, para evitar un desgaste prematuro, templar los
puntos de apoyo de los cigüeñales en una costosa etapa de trabajo,
separada. Por lo regular, esto tiene lugar por temple por inducción,
lo cual va unido a una gran complejidad y a elevados costes.
Además, durante el temple por inducción del cigüeñal se originan
deformaciones en los asientos del cojinete. Para compensar estas
deformaciones, los asientos del cojinete se tienen que fabricar con
elevadas creces antes del endurecimiento. Después del temple por
inducción los diámetros de los asientos del cojinete se llevan
después a sus dimensiones finales por rectificación (u otros
procedimientos con arranque de viruta, parecidos). Por la aplicación
de la capa de superficie dura 21 conforme a la invención a los
asientos del cojinete se puede prescindir ventajosamente del temple
por inducción en esos puntos. Con ello se evitan las desventajas
del temple por inducción citadas anteriormente, la fabricación de
los cigüeñales tiene lugar con un menor gasto de energía. No es
necesario dar creces a los asientos del cojinete o,
respectivamente, hacerlo en una magnitud claramente reducida frente
al estado actual de la técnica, el cigüeñal no sufre ninguna
deformación y presenta una menor tendencia a las grietas que los
cigüeñales convencionales templados por inducción.
Otra ventaja importante de la invención consiste
en que por la utilización de los recubrimientos conformes a la
invención en el dispositivo de cojinete se puede renunciar a los
taladros del canal para aceite en el cigüeñal. En los cigüeñales
conocidos en el estado actual de la técnica se realizan taladros del
canal para aceite, que sirven para conseguir una mejor lubricación
del cojinete principal y del cojinete de empuje del cigüeñal. El
flujo de aceite a través de estos taladros hace que el aceite se
distribuya en cantidad suficiente sobre la superficie de los
cojinetes, de modo que se consigue una reducción del rozamiento y
del desgaste entre las superficies de contacto del apoyo. La
realización de los taladros del canal para aceite va unida a una
gran complejidad y a los correspondientes elevados costes. Además,
los taladros del canal de aceite pueden llevar a la formación de
grietas y reducen la resistencia dinámica del
cigüeñal.
cigüeñal.
Por la capa de superficie prevista conforme a la
invención sobre la superficie del cojinete principal y del cojinete
de empuje del cigüeñal se consigue una suficiente reducción del
rozamiento y del desgaste del cojinete, sin tener que llevar
adicionalmente aceite para la reducción del rozamiento y del
desgaste a través de taladros del canal para aceite sobre las
superficies del cojinete. Por consiguiente, se puede prescindir de
los taladros individuales para aceite en el cigüeñal. El renunciar
a los taladros del canal para aceite conduce ciertamente a una
reducción de la lubricación con aceite del cojinete principal y del
cojinete de empuje, sin embargo esto se compensa por el
recubrimiento conforme a la invención de las piezas participantes
del cojinete. Para ello, se han previsto conforme a la invención
combinaciones de materiales especialmente adecuadas, que presentan
adecuadas propiedades tribológicas para conseguir también, sin
aceite adicional transportado por taladros del canal para aceite,
un desgaste suficientemente reducido de las piezas participantes del
cojinete.
Las influencias positivas de una lubricación
convencional con aceite mediante taladros en el canal para aceite
sobre el sistema tribológico constituido por la superficie del
cojinete del cigüeñal y el correspondiente contracuerpo se
consiguen conforme a la invención con materiales elegidos de forma
preestablecida, los cuales se aplican en forma de recubrimientos de
superficie. Los contracuerpos de los asientos del cojinete de los
cigüeñales pueden estar constituidos en este caso por dos semivalvas
(un bipartido) de aleaciones blandas en su superficie, las cuales
se aplican en forma de capas de superficie. Alternativamente, los
contracuerpos se pueden formar también directamente por los
correspondientes asientos de cojinete de las partes constructivas
de apoyo tales como, por ejemplo, las superficies internas de los
ojales de la biela.
Por la utilización de las capas de superficie
conformes a la invención en las piezas individuales del cojinete no
sólo se puede prescindir de la propia realización de los taladros
para aceite, también desaparece la eliminación de rebabas y el
pulido de los extremos de los taladros. Además, se consigue una
menor tendencia a las grietas y a una mayor rigidez dinámica del
cigüeñal.
Claims (19)
1. Dispositivo de cojinete con una primera pieza
(2) del cojinete y una segunda pieza (3) del cojinete, las cuales
actúan juntas en contacto de apoyo, en el cual la primera pieza (2)
del cojinete y la segunda pieza (3) del cojinete están provistas
respectivamente de una capa de superficie (21, 31), siendo la dureza
de la capa de superficie (21) de la primera pieza (2) del cojinete
más elevada que la dureza de la capa de superficie (31) de la
segunda pieza (3) del cojinete, caracterizado porque la capa
de superficie (21) de la primera pieza (2) del cojinete es una capa
de superficie (21) que contiene hierro, la cual presenta al menos la
siguiente composición:
Carbono = 0,1% a 1,15% en peso
Manganeso = 0,1% a 0,8% en peso
Azufre = 0,1% a 2% en peso
Cobre 0,1% a 12% en peso
Hierro = resto hasta el 100% en peso.
2. Dispositivo de cojinete según la
reivindicación 1, en el cual el dispositivo de cojinete es un
cojinete de cigüeñal con la biela (10) de una máquina de
combustión.
3. Dispositivo de cojinete según la
reivindicación 1 o 2, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro, adicionalmente contiene 0,01% a 0,2% en peso de
fósforo.
4. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro, adicionalmente contiene 5% a 20% en peso de
cromo.
5. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro, adicionalmente contiene 0,1% a 20% en peso de
molibdeno.
6. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el cual en la capa de superficie (21)
que contiene hierro hay contenido MnS como lubricante seco y la
proporción de manganeso se sitúa entre 1% y 2,5% en peso,
preferentemente en 1,7% en peso, y la proporción de azufre entre
0,5% en peso y 1,5% en peso, preferentemente en 1% en peso.
7. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro presenta una matriz base de hierro \alpha.
8. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 7, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro contiene carburos, especialmente Fe_{x}C_{y},
preferentemente Fe_{3}C.
9. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro presenta segregaciones de cobre, las cuales forman
una matriz de cobre.
10. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el cual la capa de superficie (21) que
contiene hierro presenta una porosidad de 0,5% a 5% en volumen,
especialmente entre 1% y 3%.
11. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 1 y 2, en el cual la capa de superficie (31) de la
segunda pieza (3) del cojinete es una capa de superficie (31) que
contiene cobre, la cual presenta al menos la siguiente
composición:
Cinc = 5% a 30% en peso
Estaño = 1% a 10% en peso
Silicio = 0,1% a 3% en peso
Aluminio = 0,1% a 7% en peso
Hierro = 0,01% a 2% en peso
Manganeso = 0,01% a 4% en peso
Cobalto = 0,01% a 3% en peso
Cobre = resto hasta 100% en peso
12. Dispositivo de cojinete según la
reivindicación 11, en el cual la capa de superficie (31) que
contiene cobre, adicionalmente contiene 0,01% a 1% en peso de
titanio.
13. Dispositivo de cojinete según la
reivindicación 12, en el cual la capa de superficie (31) que
contiene cobre presenta una matriz base de cobre \alpha.
14. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 11 a 13, en el cual la capa de superficie (31) que
contiene cobre presenta segregaciones de hierro y/o cobalto y/o
manganeso y/o silicio.
15. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones 11 a 14, en el cual la capa de superficie (31) que
contiene cobre presenta una porosidad de 0,5% a 5% en volumen,
especialmente entre 1% y 3%.
16. Dispositivo de cojinete según una de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la capa de superficie que
contiene cobre o/y que contiene hierro (31, 21), se ha mecanizado
por rectificación.
17. Cigüeñal con asientos de cojinete en forma
de muñones de empuje para el apoyo de bielas, y cojinetes
principales para el alojamiento del cigüeñal en frente de la
carcasa del motor, en el cual al menos un asiento de cojinete forma
una parte de un dispositivo de cojinete según las reivindicaciones 1
a 16, en el cual este asiento de cojinete presenta una capa de
superficie (21) que contiene hierro, aplicada sobre el material no
templado del cigüeñal, la cual presenta al menos la siguiente
composición:
Carbono = 0,1% a 1,5% en peso
Manganeso = 0,1% a 8% en peso
Azufre = 0,1% a 2% en peso
Cobre = 0,1% a 12% en peso
Hierro = resto hasta 100% en peso.
18. Cigüeñal según la reivindicación 17,
caracterizado porque la capa de superficie (21) que contiene
hierro presenta una composición conforme a las reivindicaciones 4 a
11.
19. Cigüeñal según las reivindicaciones 17 a 18,
caracterizado porque todos los muñones de empuje y todos los
cojinetes principales del cigüeñal están provistos de la capa de
superficie (21), y el cuerpo del cigüeñal está exento de taladros
del canal para aceite.
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