ES2299786T3 - Biela dividida y metodo para fabricar una biela dividida. - Google Patents
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Abstract
Una biela dividida que comprende (a) un cuerpo de biela (10) y (b) un extremo grande (30) que tiene una abertura íntegramente incorporada a un extremo de dicho cuerpo de biela (10), en virtud de lo cual se forma una ranura de inicio de fractura (50) en cada una de las posiciones opuestas en una superficie interna de dicha abertura y en una porción de una línea que se extiende a lo largo de una dirección axial de dicha abertura de tal manera que la ranura de inicio de fractura (50) tiene un factor de concentración del esfuerzo mayor que el de otra porción de la línea que se extiende a lo largo de la dirección axial de dicha abertura, (c) muescas (52) primera y segunda con superficies inferiores curvadas y formadas en regiones que se cortan con la otra porción mencionada de cada línea que se extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie interna de dicha abertura, (d) ranuras de sujeción de cojinete (51) primera y segunda con superficies inferiores curvadas y formadas en regiones que se cortan con la otra porción mencionada de la línea que se extiende a lo largo de la dirección axial en al menos una de dichas posiciones opuestas en la superficie interna de dicha abertura, (e) profundidades (H2) de las muescas (52) y profundidades (H3) de las ranuras de sujeción de cojinete (51) iguales o mayores que una profundidad (H1) de la ranura de inicio de fractura (50), y (f) dichas muescas (52) y dichas ranuras de sujeción de cojinete (51) con factores de concentración del esfuerzo menores que un factor de concentración del esfuerzo de dicha ranura de inicio de fractura (50), dividiéndose por fractura dicho extremo grande (30) a lo largo de dicha ranura de inicio de fractura (50).
Description
Biela dividida y método para fabricar una biela
dividida.
El presente invento hace referencia a una biela
dividida y a un método para fabricar una biela dividida. En
particular, el presente invento hace referencia a una biela dividida
que une un pasador de pistón y una muñequilla del cigüeñal, un
motor que comprende dicha biela dividida, y un vehículo que
comprende dicho motor y dicha biela dividida.
Un motor de coche, motocicleta u otro vehículo
motorizado utiliza una biela que une un pasador de pistón con una
muñequilla del cigüeñal. La biela tiene un extremo pequeño para
sujetar giratoriamente un pasador de pistón en un extremo de un
cuerpo de biela, y un extremo grande para sujetar giratoriamente una
muñequilla del cigüeñal en otro extremo del cuerpo de biela. En el
extremo pequeño se forma una abertura para pasador de pistón en la
que se inserta el pasador de pistón, y en el extremo grande se forma
una abertura para muñequilla del cigüeñal en la que se inserta la
muñequilla del cigüeñal.
Una biela dividida tiene su extremo grande
escindido en avance entre un cabezal y una barra a lo largo de un
plano dividido que comprende el centro axial de la abertura para
muñequilla del cigüeñal. El extremo grande que tiene la abertura
para muñequilla del cigüeñal se forma uniendo la barra y el cabezal
con pernos.
Una biela dividida como ésta requiere la
colocación exacta del cabezal y de la barra ensamblados en un eje
de cigüeñales, a fin de que la abertura para muñequilla del cigüeñal
del extremo grande conserve una forma circular y cilíndrica
perfecta.
Entre las soluciones probadas para mejorar la
exactitud de la colocación figura la "técnica de fractura". La
técnica de fractura requiere la formación integral de un extremo
grande y la subsiguiente división por fractura del extremo grande
en una barra y un cabezal. Como los planos de fractura de la barra y
los planos de fractura del cabezal tienen pequeñas irregularidades,
la colocación exacta de la barra y del cabezal se logra acoplando
sus respectivos planos de fractura.
En la patente US-456.910.9 se
propuso la formación de ranuras de inicio de fractura que se
extienden linealmente en dirección axial sobre la superficie
interna de una abertura para muñequilla del cigüeñal, a fin de
inducir una fractura previa a la división por fractura de un
extremo grande en dos partes: una barra y un cabezal.
Según la técnica de fractura descrita, la forma
de los planos de fractura afecta a la exactitud de la colocación de
la barra y el cabezal. En particular, cuando hay varios puntos de
inicio de fractura, éstos pueden originar planos de fractura
diferentes. En la presente especificación, la formación de planos de
fractura diferentes se denominará agrietamiento doble.
La unión de los extremos respectivos de planos
de fractura diferentes da lugar a una diferencia de nivel en la
porción de unión y a la posterior formación de una proyección
considerable en los planos de fractura. Esta proyección hace que,
al ensamblarse la barra y el cabezal, la abertura para muñequilla
del cigüeñal resultante tenga una forma circular y cilíndrica
imperfecta. Además, el metal situado entre los planos de fractura
diferentes puede desprenderse como piezas rotas, con el
consiguiente riesgo de dañar los componentes del motor.
Últimamente se ha detectado la necesidad de una
biela de tolerancia suficiente para mejorar la tolerancia del
motor. Sin embargo, el uso de un material muy resistente para
mejorar la tolerancia de la biela suele ocasionar la formación de
grietas dobles. Por esta razón, el material normalmente utilizado
para fabricar bielas es un acero que contiene gran cantidad de
carbono.
En WO-990.617.0 se ha propuesto
un aparato para la división por fractura que impide la formación de
dichas grietas dobles y de dichas piezas rotas. El aparato descrito
en la documentación de patente mencionada aplica una carga
exclusivamente a una parte de la superficie interna de una abertura
para muñequilla del cigüeñal de un extremo grande antes de la
separación, a fin de fracturar y separar el extremo grande que
contiene el punto de aplicación de la carga como punto de
inicio.
Sin embargo, este aparato de división por
fractura tiene una estructura complicada que requiere precisión en
la plantilla utilizada. Este requisito encarece el equipo, además de
suponer una carga adicional porque exige abordar el deterioro
progresivo de la plantilla. El resultado es un encarecimiento del
coste de fabricación de la biela dividida.
En
US-631.215.9-B1, considerado el
antecedente tecnológico más próximo al presente invento, se describe
una biela dividida que tiene una ranura rebajada de sección
transversal en V. Dicha ranura rebajada se forma en la superficie
periférica interna del extremo grande de la biela dividida y conecta
dos ranuras acopladas que se disponen en ambos lados externos del
extremo grande.
En US-550.709.3 se describe una
biela de acero forjado con una hendidura, formada en la superficie
interna de la abertura del extremo grande en uno de los extremos o
en los dos, en una dirección axial de dicha abertura.
Un objeto del presente invento es aportar una
biela dividida de gran precisión y un método para fabricar una
biela dividida de gran precisión.
Según un aspecto del aparato del presente
invento, dicho objetivo se alcanza mediante una biela dividida que
combine las características de la reivindicación independiente
1.
Para la fabricación de la biela dividida, en
cada una de las posiciones opuestas de la superficie interna de la
abertura, la ranura de inicio de fractura se forma en una de las
porciones de la línea que se extiende a lo largo de la dirección
axial de la abertura para lograr una concentración del esfuerzo
mayor que en la otra porción de la línea que se extiende a lo largo
de la dirección axial de la abertura. La división por fractura del
extremo grande tiene lugar a lo largo de cada una de las ranuras de
inicio de fractura.
Seguidamente, la fractura se inicia desde un
punto único situado en cada línea de la superficie interna,
avanzando desde cada punto único situado en la superficie interna
de la abertura. El resultado es la separación del extremo grande
debido a la división por fractura a lo largo de los planos de
fractura únicos, impidiéndose así la formación de grietas dobles.
De este modo se evita la formación de una proyección considerable en
los planos de fractura, y el desprendimiento de una pieza rota de
los mismos. En consecuencia, el ensamblaje de las porciones
divididas del extremo grande da lugar a un alto grado de redondez y
cilindricidad, al tiempo que se logra un descenso significativo del
porcentaje de productos defectuosos.
Además, el extremo grande de la biela dividida
puede separarse mediante división por fractura utilizando una
plantilla simple, sin necesidad de equipos costosos. Por
consiguiente, el coste de fabricación de la biela dividida se
abarata. Además, es posible utilizar un material muy resistente que
mejore la tolerancia de la biela dividida.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
la muesca es menor que el de la ranura de inicio de fractura, el
esfuerzo se concentra en la ranura de inicio de fractura para
aliviar y minimizar la concentración del esfuerzo en la muesca. El
resultado es la concentración del esfuerzo en la porción de la línea
que se extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie
interna de la abertura. Por tanto, la fractura avanza desde el
punto único situado en cada una de las posiciones opuestas de la
superficie interna de la abertura.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
las ranuras de sujeción de cojinetes es menor que el de la ranura
de inicio de fractura, el esfuerzo se concentra en la ranura de
inicio de fractura para aliviar y minimizar la concentración del
esfuerzo en una o más ranuras de sujeción de cojinetes. El resultado
es la concentración del esfuerzo en la porción de la línea que se
extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie interna
de la abertura. Por tanto, la fractura avanza desde el punto único
situado en cada una de las posiciones opuestas de la superficie
interna de la abertura.
Es preferible que la ranura de inicio de
fractura pueda formarse en el centro aproximado de cada línea a lo
largo de la dirección axial en la superficie interna de la
abertura.
En este caso, la división por fractura forma un
plano de fractura desde el centro aproximado de la superficie
interna de la abertura. El resultado es la separación del extremo
grande debido a la división por fractura a lo largo de los planos
de fractura únicos, impidiéndose así la formación de grietas
dobles.
Es preferible que la ranura de inicio de
fractura también pueda formarse en un extremo de cada línea que se
extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie interna
de la abertura.
En este caso, la división por fractura forma un
plano de fractura desde un extremo de la superficie interna de la
abertura. El resultado es la separación del extremo grande debido a
la división por fractura a lo largo de los planos de fractura
únicos, impidiéndose así la formación de grietas dobles.
Es preferible que el interior del cuerpo de
biela y del extremo grande sea de un acero cuyo contenido de carbono
oscile entre un peso porcentual mínimo aproximado de 0,05 y un peso
porcentual máximo aproximado de 0,45, para que una capa superficial
del cuerpo de biela y del extremo grande tenga un contenido de
carbono superior al del interior de los mismos.
De este modo se aumenta significativamente la
resistencia del interior del cuerpo de biela y del extremo grande,
y la dureza de la capa superficial del cuerpo de biela y del extremo
grande. El resultado es una mejora de la tolerancia de la biela
dividida.
Según un aspecto referido al método del presente
invento, dicho objetivo se alcanza mediante un método que combine
las características de la reivindicación independiente 8.
En dicho método de fabricación, primero se forma
la biela compuesta por el cuerpo de biela y el extremo grande.
Segundo, en cada una de las posiciones opuestas de la superficie
interna de la abertura, la ranura de inicio de fractura se forma en
una de las porciones de la línea que se extiende a lo largo de la
dirección axial de la abertura para lograr un factor de
concentración del esfuerzo mayor que en la otra porción.
Seguidamente, se separa el extremo grande mediante la división por
fractura a lo largo de la ranura de inicio de fractura.
A continuación, la fractura se inicia desde el
punto único situado en cada línea de la superficie interna,
avanzando desde cada punto único situado en la superficie interna de
la abertura. El resultado es la separación del extremo grande
debido a la división por fractura a lo largo de los planos de
fractura únicos, impidiéndose así la formación de grietas dobles.
De este modo se evita la formación de una proyección considerable en
cada plano de fractura, y el desprendimiento de una pieza rota de
los mismos. En consecuencia, el ensamblaje de las porciones
divididas del extremo grande da lugar a un alto grado de redondez y
cilindricidad, al tiempo que se logra un descenso significativo del
porcentaje de productos defectuosos.
Además, el extremo grande de la biela dividida
puede separarse mediante división por fractura utilizando una
plantilla simple, sin necesidad de equipos costosos. Por
consiguiente, el coste de fabricación de la biela dividida se
abarata. Además, es posible utilizar un material muy resistente que
mejore la tolerancia de la biela dividida.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
la muesca es menor que el de la ranura de inicio de fractura, el
esfuerzo se concentra en la ranura de inicio de fractura para
aliviar y minimizar la concentración del esfuerzo en la muesca. El
resultado es la concentración del esfuerzo en la porción de la línea
que se extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie
interna de la abertura. Por tanto, la fractura avanza desde el
punto único situado en cada una de las posiciones opuestas de la
superficie interna de la abertura.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
las ranuras de sujeción de cojinetes es menor que el de la ranura
de inicio de fractura, el esfuerzo se concentra en la ranura de
inicio de fractura para aliviar y minimizar la concentración del
esfuerzo en una o más ranuras de sujeción de cojinetes. El resultado
es la concentración del esfuerzo en la porción de la línea que se
extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie interna
de la abertura. Por tanto, la fractura avanza desde el punto único
situado en cada una de las posiciones opuestas de la superficie
interna de la abertura.
Es preferible que el paso consistente en la
formación de la ranura de inicio de fractura pueda incluir el paso
de la formación de la ranura de inicio de fractura en un centro
aproximado de cada línea que se extiende a lo largo de la dirección
axial en la superficie interna de la abertura.
En este caso, la división por fractura forma un
plano de fractura desde el centro aproximado de la superficie
interna de la abertura. El resultado es la separación del extremo
grande debido a la división por fractura a lo largo de los planos
de fractura únicos, impidiéndose así la formación de grietas
dobles.
Es preferible que el paso consistente en la
formación de la ranura de inicio de fractura pueda incluir el paso
de la formación de la ranura de inicio de fractura en un extremo de
cada línea que se extiende a lo largo de la dirección axial en la
superficie interna de la abertura.
En este caso, la división por fractura forma un
plano de fractura desde un extremo de la superficie interna de la
abertura. El resultado es la separación del extremo grande debido a
la división por fractura a lo largo de los planos de fractura
únicos, impidiéndose así la formación de grietas dobles.
Es preferible que el paso consistente en la
formación del cuerpo de biela y del extremo grande pueda comprender
el paso consistente en la formación del cuerpo de biela y del
extremo grande con un acero cuyo contenido de carbono oscile entre
un peso porcentual mínimo aproximado de 0,05 y un peso porcentual
máximo aproximado de 0,45.
En este caso, el interior del cuerpo de biela y
del extremo grande adquiere una dureza mucho mayor y se mejora la
tolerancia de la biela dividida.
Es preferible que el paso consistente en la
formación del cuerpo de biela y del extremo grande también pueda
comprender el paso consistente en la realización de un proceso de
endurecimiento superficial, para que una capa superficial del
cuerpo de biela y del extremo grande tenga un contenido de carbono
superior al de su interior.
En este caso, se aumenta mucho la resistencia
del interior del cuerpo de biela y del extremo grande, así como la
dureza de la capa superficial del cuerpo de biela y del extremo
grande. El resultado es una nueva mejora de la tolerancia de la
biela dividida.
Es preferible que el paso consistente en la
formación de la ranura de inicio de fractura pueda comprender el
paso consistente en la formación de la ranura de inicio de fractura
con maquinado mediante electroerosión por cable.
En este caso, es posible la formación simultánea
de ranuras de inicio de fractura en los extremos grandes de varias
bielas. Con ello se mejora la productividad.
Otras formas de realización preferidas del
presente invento se exponen en las subreivindicaciones
posteriores.
En los apartados siguientes se explica el
presente invento con mayor detalle mediante varias formas de
realización del mismo en combinación con los dibujos
correspondientes, siendo:
La figura 1 una vista en perspectiva de una
biela dividida antes de la división por fractura según una primera
forma de realización preferida;
La figura 2 una vista vertical de la biela
dividida de la figura 1;
La figura 3 (a) una vista transversal de la
biela dividida de la figura 2 a lo largo de la línea
IV-IV, y la figura 3 (b) una vista transversal de
la biela dividida de la figura 2 a lo largo de la línea
V-V;
La figura 4 una vista en perspectiva de la biela
de la figura 1 parcialmente aumentada;
La figura 5 una vista en perspectiva del
conjunto de la biela dividida según la primera forma de realización
preferida;
La figura 6 una vista en perspectiva de la biela
de la figura 5 parcialmente aumentada;
La figura 7 un organigrama descriptivo de un
método de fabricación de la biela dividida según una forma de
realización preferida;
La figura 8 un organigrama que describe en
detalle el maquinado con precementación carburante;
La figura 9 una vista transversal esquemática de
un método de división por fractura;
La Figura 10 (a) una vista transversal que
presenta la forma de una ranura de inicio de fractura, la figura 10
(b) una vista transversal que presenta la forma de una muesca, y la
figura 10 (c) una vista transversal que presenta la forma de una
ranura de sujeción de cojinete;
La figura 11 un esquema ilustrativo del avance
de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para obtener el
extremo grande en un ejemplo comparativo;
La figura 12 un esquema que presenta el estado
del plano de fractura para obtener el extremo grande en el ejemplo
comparativo;
La figura 13 una vista ampliada de la zona C de
la figura 12;
La figura 14 una vista transversal que presenta
los pasos desde la fracturación del extremo grande hasta el
rectificado de la superficie interna en el ejemplo comparativo;
La figura 15 un esquema ilustrativo del avance
de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para obtener el
extremo grande del ejemplo;
La figura 16 un esquema que presenta el estado
del plano de fractura para obtener el extremo grande del
ejemplo;
La figura 17 una vista transversal que presenta
los pasos desde la fracturación del extremo grande hasta el
rectificado de la superficie interna del ejemplo;
La figura 18 un diagrama esquemático ilustrativo
del avance de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para
obtener una biela dividida que tiene algunas características del
presente invento;
La figura 19 un diagrama esquemático ilustrativo
del avance de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para
obtener una biela dividida según una tercera forma de realización
preferida;
La figura 20 un diagrama esquemático ilustrativo
del avance de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para
obtener una biela dividida según una cuarta forma de realización
preferida;
La figura 21 una vista transversal ilustrativa
de un ejemplo de un motor que utiliza la biela dividida según la
precedente forma de realización preferida; y
La figura 22 una vista esquemática de una
motocicleta automática que utiliza el motor de la figura 21.
La figura 1 es una vista en perspectiva de una
biela dividida antes de la división por fractura según una primera
forma de realización preferida. La figura 2 es una vista vertical de
la biela dividida de la figura 1. La figura 3 (a) es una vista
transversal de la biela dividida de la figura 2 a lo largo de la
línea IV-IV, y la figura 3 (b) es una vista
transversal de la biela dividida de la figura 2 a lo largo de la
línea V-V. La figura 4 es una vista en perspectiva
de la biela de la figura 1 parcialmente aumentada.
Como se aprecia en las figuras 1, 2, 3 (a) y 3
(b), es preferible que la biela dividida 1 comprenda un cuerpo de
biela 10, un extremo pequeño 20 y un extremo grande 30. El cuerpo de
biela 10 tiene el extremo pequeño 20 formado íntegramente en este
extremo, y tiene el extremo grande 30 formado íntegramente en su
otro extremo, a fin de constituir un único miembro unitario.
\newpage
En el extremo pequeño 20 se forma una abertura
para pasador de pistón 25 que es sustancialmente cilíndrica. En una
porción aproximadamente central del extremo grande 30 se forma una
abertura para muñequilla del cigüeñal 35 que es sustancialmente
cilíndrica. El extremo grande 30 tiene los rebordes 31a y 31b que se
extienden desde el cuerpo de biela 10 por los lados del mismo. Los
rebordes 31a y 31b están provistos de orificios para perno 32 en
ambos lados de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35,
respectivamente, que se extienden desde la superficie inferior del
extremo grande 30 hasta cerca de la superficie superior del
mismo.
En lo sucesivo, la dirección en que se extiende
el cuerpo de biela 10 recibirá la denominación de "dirección
longitudinal", la dirección del eje central de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35 que se indica mediante la línea de
trazos en la figura 4 recibirá simplemente la denominación de
"dirección axial", y la dirección que es perpendicular a las
direcciones longitudinal y axial recibirá la denominación de
"dirección de la anchura". En las figuras 1 a 6 y en las
figuras 11 a 20 que se describen seguidamente, la dirección
longitudinal se representa mediante la flecha Z, la dirección axial
se representa mediante la flecha X, y la dirección de la anchura se
representa mediante la flecha
Y.
Y.
El extremo grande 30 antes de la división por
fractura comprende una barra 33 y un cabezal 34 que forman parte
integral del mismo. Como se describirá más adelante, la barra 33 y
el cabezal 34 del extremo grande 30 se fracturan y separan a lo
largo de un plano A a fracturar en paralelo con la dirección axial X
y la dirección de la anchura Y. El plano A a fracturar está
dispuesto para pasar el eje central de la abertura para muñequilla
del cigüeñal 35. Es decir, el plano A a fracturar se corta con la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35.
Las ranuras de inicio de fractura 50 se forman
para extenderse en la dirección axial X en los centros de las
respectivas posiciones opuestas en la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. Las ranuras de inicio de
fractura 50 están ubicadas en los centros de las líneas donde la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
se corta con el plano A a fracturar.
Es preferible que las ranuras de sujeción de
cojinete 51 se formen en una o en ambas posiciones opuestas de la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 a
fin de sujetar un metal de soporte que cumple funciones de
cojinete. Las ranuras de sujeción de cojinete 51 impiden la
revolución del metal de soporte.
En esta forma de realización preferida, las
ranuras de sujeción de cojinete 51 están dispuestas de modo que se
extiendan, respectivamente, cruzando la ranura de inicio de fractura
50 en un lado de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35, como se aprecia en la figura 3 (a), sin
que se forme ninguna ranura de sujeción de cojinete 51 en el otro
lado, como se aprecia en la figura 3 (b).
Es preferible que cada ranura de sujeción de
cojinete 51 se defina por un rebajo con superficie inferior curvada
y que esté dispuesta para extenderse en la dirección circunferencial
de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35. Es preferible que
la superficie inferior de cada ranura de sujeción de cojinete 51 se
doble en forma de arco a lo largo de la sección transversal
sustancialmente perpendicular a la dirección axial X.
Además, se aportan muescas 52, respectivamente,
en ambos extremos de cada posición opuesta de la superficie interna
de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 en la dirección axial
X. En la presente forma de realización preferida, como se aprecia
en la figura 3 (a), es preferible que las muescas 52 se formen,
respectivamente, en los lados de las ranuras de sujeción de
cojinete 51 por un lado de la superficie interna de la abertura
para muñequilla del cigüeñal 35, y como se aprecia en la figura 3
(b), es preferible que las muescas 52 se formen, respectivamente,
para que se extiendan cruzando la ranura de inicio de fractura 50 en
el otro lado de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35.
Cada muesca 52 con superficie inferior curvada
está dispuesta de modo que se extienda en la dirección
circunferencial de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35. Es
preferible que la superficie inferior de cada muesca 52 se doble en
forma de arco a lo largo de la sección transversal sustancialmente
perpendicular a la dirección axial X.
Además, se aportan biseles 53 formados por
biselado de los bordes de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35, respectivamente, dispuestos de modo que se extiendan en la
dirección circunferencial de la abertura para muñequilla del
cigüeñal 35.
La figura 5 es una vista en perspectiva del
conjunto de la biela dividida según la primera forma de realización
preferida. La figura 6 es una vista en perspectiva de la biela de la
figura 5 parcialmente aumentada.
La barra 33 y el cabezal 34 que definen el
extremo grande 30 de la biela dividida 1 se fracturan y separan a
lo largo de las ranuras de inicio de fractura 50. El resultado es la
formación de planos de fractura F en la barra 33 y en el cabezal
34, respectivamente, como se aprecia en las figuras 5 y 6. Los
planos de fractura F tienen pequeñas irregularidades.
Los planos de fractura F de la barra 33 y del
cabezal 34 se disponen para que entren en contacto entre sí. Se
roscan pernos 40 en los orificios de perno 32 a fin de unir la barra
33 con el cabezal 34. Como los planos de fractura F de la barra 33
y del cabezal 34 tienen pequeñas irregularidades complementarias, la
barra 33 y el cabezal 34 pueden acoplarse exactamente entre sí.
Seguidamente pasa a describirse un método de
fabricación de la biela dividida según una forma de realización
preferida. La figura 7 es un organigrama descriptivo del método de
fabricación de la biela dividida según la presente forma de
realización preferida.
Se comienza formando, preferiblemente mediante
forja, un cuerpo en tosco de la biela 1 que comprenda el cuerpo de
biela 10, el extremo pequeño 20 y el extremo grande 30 (paso S1). En
este caso, la barra 33 y el cabezal 34 se forman integralmente con
el extremo grande 30. En lugar de forjarla, la biela 1 puede
formarse mediante fundición, sinterización u otro procedimiento
adecuado.
Preferiblemente se utiliza un acero que contenga
carbono (C) como material de la biela 1. Es preferible que el acero
tenga un contenido de carbono que oscile entre aproximadamente 0,05
y 0,45% por peso, y más preferiblemente entre aproximadamente 0,10
y 0,35% por peso, en una zona donde la concentración de carbono no
se incremente debido a la cementación carburante. De este modo
aumenta la resistencia del acero y se mejora la tolerancia de la
biela 1.
En esta forma de realización preferida, es más
conveniente utilizar SCM 420, que es un tipo de acero al
cromomolibdeno, como ejemplo del material para la biela 1. La
composición del SCM 420 comprende, por ejemplo, aproximadamente
0,18-0,23% de carbono (C) por peso, aproximadamente
0,15-0,35% de silicio (Si) por peso, aproximadamente
0,60-0,85% de manganeso (Mn) por peso,
aproximadamente 0,03% o menos de fósforo (P) por peso,
aproximadamente 0,03% o menos de azufre (S) por peso,
aproximadamente 0,9-1,2% de cromo (Cr) por peso y
aproximadamente 0,15-0,30% de molibdeno (Mo) por
peso.
Otra posibilidad es la utilización de titanio
(Ti) como material de la biela 1. Y otra posibilidad más es la
utilización de un acero al carbono con gran contenido de carbono
(por ejemplo, el tipo SAE 1070) como material de la biela 1.
A continuación, la biela 1 se maquina como fase
preparatoria de la cementación carburante (paso S2). La figura 8 es
un organigrama que describe en detalle el maquinado con
precementación carburante. El maquinado con precementación
carburante se inicia con el rectificado de una superficie de espesor
de la biela 1, es decir, la superficie normal de la dirección axial
X (paso S21), seguido de la formación de la abertura para pasador de
pistón 25 y de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 en el
extremo pequeño 20 y en el extremo grande 30, respectivamente
(paso
S22).
S22).
A continuación se forman las ranuras de sujeción
de cojinete 51 en la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35 del extremo grande 30 (paso S23), seguido
por la formación de las muescas 52 a ambos lados de las ranuras de
sujeción de cojinete 51 (paso S24). Después se forman los biseles 53
en los bordes de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 (paso
S25), seguidos por la formación de los orificios para perno 32 en
los rebordes 31a y 31b de la biela 1, respectivamente (paso
S26).
Es preferible que la formación de la abertura
para pasador de pistón 25, la abertura para muñequilla del cigüeñal
35, las ranuras de sujeción de cojinete 51, las muescas 52, los
biseles 53 y los orificios para perno 32 se realicen mediante
corte.
Acto seguido se forman las ranuras de inicio de
fractura 50 en la superficie interna de la abertura para muñequilla
del cigüeñal 35 (paso S27). En esta forma de realización preferida,
es más conveniente que las ranuras de inicio de fractura 50 se
formen con maquinado mediante electroerosión por cable.
El maquinado mediante electroerosión por cable
requiere la disposición de un cable electroconductor en la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 a
lo largo de la dirección axial X, y la aplicación de alto voltaje
pulsante entre el cable conductor y la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. Este proceso ocasiona una
descarga en corona entre el cable conductor y la superficie interna
de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 que secciona
linealmente la superficie interna de la abertura para muñequilla
del cigüeñal 35, excepto las ranuras de sujeción de cojinete 51, las
muescas 52 y los biseles 53. En consecuencia, en los centros de la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
se forman las ranuras de inicio de fractura 50 que se extienden
linealmente en la dirección axial X.
En este caso, es posible la formación simultánea
de ranuras de inicio de fractura en los extremos grandes de varias
bielas. El resultado es una mejora de la productividad.
Obsérvese que las ranuras de inicio de fractura
50 pueden formarse con otros métodos de maquinado, por ejemplo
maquinado o corte con rayos láser y demás procedimientos
adecuados.
El rectificado de la superficie de espesor de la
biela 1, la formación de la abertura para pasador de pistón 25 y de
la abertura para muñequilla del cigüeñal 35, la formación de las
ranuras de sujeción de cojinete 51, la formación de las muescas 52,
la formación de los biseles 53, la formación de los orificios para
perno 32 y la formación de las ranuras de inicio de fractura 50 son
operaciones realizables en cualquier secuencia diferente de la
indicada en la figura 8.
Por ejemplo, las ranuras de sujeción de cojinete
51, las muescas 52 y los biseles 53 pueden realizarse después de la
formación de las ranuras de inicio de fractura 50.
Seguidamente, en toda la biela 1 se realiza un
proceso de endurecimiento superficial; es decir, cementación
carburante, templado y revenido (paso S3 de la figura 7). El
resultado es la formación de una capa endurecida superficial que se
extiende sobre toda una superficie de la biela 1. La profundidad de
la cementación carburante obtenida es aproximadamente de 1,0 mm,
por ejemplo.
También pueden adoptarse otros procesos de
endurecimiento, como nitruración, nebulización, deposición en fase
de vapor o revenido de alta frecuencia.
Después se aplica un proceso de granallado a la
biela 1 (paso S4) y seguidamente se realiza el roscado interno de
los orificios para perno 32 del extremo grande 30 (paso S5).
A continuación el extremo grande 30 de la biela
1 se fractura y se divide para formar la barra 33 y el cabezal 34
(paso S6).
La figura 9 es una vista transversal esquemática
de un método de división por fractura. Es preferible que la biela 1
se enfríe antes con nitrógeno líquido. Como se aprecia en la figura
9, en la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 del extremo
grande 30 de la biela 1 se insertan proyecciones de las correderas
200 y 201 que son horizontalmente desplazables entre sí, y en la
brecha existente entre las proyecciones de las correderas 200 y 201
se introduce una cuña 202 a presión con un peso 203. Esta operación
hace que se fracture el extremo grande 30 de la biela 1,
dividiéndose en la barra 33 y el cabezal 34 a lo largo de las
ranuras de inicio de fractura 50.
A continuación se enroscan los pernos 40 en los
orificios para perno 32, colocándose los planos de fractura F de la
barra 33 y del cabezal 34 de modo que hagan contacto entre sí, como
se ha descrito antes, y que la barra 33 y el cabezal 34 queden
ensamblados (paso S7 de la figura 7).
A continuación se rectifican las superficies
internas de la abertura para pasador de pistón 25 del extremo
pequeño 20 y de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 del
extremo grande 30 de la biela 1 ensamblada (paso S8). Y con esto se
completa la fabricación de la biela dividida 1 del tipo sin
tuercas.
A continuación, la barra 33 y el cabezal 34 se
desensamblan retirando los pernos 40 del extremo grande 30 de la
biela 1 ensamblada (paso S9). Finalmente, la barra 33 y el cabezal
34 desensamblados se ensamblan en la muñequilla del cigüeñal del
eje de cigüeñales (paso S10).
Seguidamente se describen las formas de las
ranuras de inicio de fractura 50, las muescas 52 y las ranuras de
sujeción de cojinete 51, junto con sus factores de concentración del
esfuerzo.
La Figura 10 (a) es una vista transversal que
presenta la forma de la ranura de inicio de fractura 50; la figura
10 (b) es una vista transversal que presenta la forma de la muesca
52; y la figura 10 (c) es una vista transversal que presenta la
forma de la ranura de sujeción de cojinete 51.
Como se aprecia en la figura 10 (a), es
preferible que la ranura de inicio de fractura 50 comprenda
superficies opuestas que se disponen sustancialmente paralelas
entre sí y respecto a una superficie inferior semicircular. La
profundidad H1 de la ranura de inicio de fractura 50 es, por
ejemplo, de aproximadamente 0,5 mm, y el radio de la curvatura R1
de la superficie inferior es, por ejemplo, de aproximadamente 0,1
mm.
Como se aprecia en la figura 10 (b), es
preferible que la muesca 52 comprenda una superficie inferior
arqueada. La profundidad H2 de la muesca 52 es, por ejemplo, de
aproximadamente 0,5 mm, y el radio de la curvatura R2 de la
superficie inferior es, por ejemplo, de aproximadamente 6,5 mm.
Como se aprecia en la figura 10 (c), es
preferible que la ranura de sujeción de cojinete 51 comprenda una
superficie inferior arqueada. La profundidad H3 de la ranura de
sujeción de cojinete 51 es, por ejemplo, de aproximadamente 1,6 mm,
y el radio de la curvatura R3 de la superficie inferior es, por
ejemplo, de aproximadamente 6,5 mm.
La profundidad H2 de la muesca 52 y la
profundidad H3 de la ranura de sujeción de cojinete 51 son iguales
o mayores que la profundidad H1 de la ranura de inicio de fractura
50. En esta forma de realización preferida, es preferible que la
profundidad H2 de la muesca 52 sea casi igual que la profundidad H1
de la ranura de inicio de fractura 50, siendo la profundidad H3 de
la ranura de sujeción de cojinete 51 mayor que la profundidad H1 de
la ranura de inicio de fractura 50. El radio de la curvatura R2 de
la superficie inferior de la muesca 52 es mayor que el radio de la
curvatura R1 de la superficie inferior de la ranura de inicio de
fractura 50, siendo el radio de la curvatura R3 de la superficie
inferior de la ranura de sujeción de cojinete 51 mayor que el radio
de la curvatura R1 de la ranura de inicio de fractura 50.
En general, el factor de concentración del
esfuerzo \alpha puede calcularse con la ecuación siguiente:
(1)\alpha = 1
+ 2\ \surd
(H/R)
siendo H la profundidad de la
muesca, y R el radio de la curvatura de la
misma.
Si la profundidad H1 de la ranura de inicio de
fractura 50 es aproximadamente de 0,5 mm, y si el radio de la
curvatura R1 es aproximadamente de 0,1, el factor de concentración
del esfuerzo \alpha será aproximadamente de 5,5 según la anterior
ecuación (1).
Si la profundidad H2 de la muesca 52 es
aproximadamente de 0,5 mm, y si el radio de la curvatura R2 es
aproximadamente de 6,5 mm, el factor de concentración del esfuerzo
\alpha será aproximadamente de 1,6 según la anterior ecuación
(1). Si la profundidad H3 de la ranura de sujeción de cojinete 51 es
aproximadamente de 1,6 mm, y si el radio de la curvatura R3 es
aproximadamente de 6,5 mm, el factor de concentración del esfuerzo
\alpha será aproximadamente de 2,0 según la anterior ecuación
(1).
En consecuencia, el factor de concentración del
esfuerzo de la ranura de inicio de fractura 50 es mayor que los de
la muesca 52 y de la ranura de sujeción de cojinete 51.
El resultado es la concentración del esfuerzo en
la ranura de inicio de fractura 50 en la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35, aliviando y minimizando
así la concentración del esfuerzo en la muesca 52 y en la ranura de
sujeción de cojinete 51. Por tanto, el esfuerzo se concentra en el
centro de la superficie interna de la abertura para muñequilla del
cigüeñal 35.
En el ejemplo y en el ejemplo comparativo
siguientes se comprobó la acción de las ranuras de inicio de
fractura 50 y de las muescas 52 durante la división por fractura
del extremo grande 30. El ejemplo consistió en la división por
fractura de un extremo grande provisto de las muescas 52, mientras
que el ejemplo comparativo consistió en la división por fractura de
un extremo grande carente de las muescas 52. El extremo grande del
ejemplo es el mismo que el extremo grande de las figuras 1 a 4.
Se utilizó SCM 420, que es un tipo de acero al
cromomolibdeno, como material de la biela 1. Una capa endurecida
superficial del SCM 420 después de la cementación carburante, el
templado y el revenido, tiene un contenido de carbono de
aproximadamente 0,7-0,8% por peso y un valor de
impacto Charpy de aproximadamente 7-12 J/cm^{2}.
El interior del SCM 420 después de la cementación carburante, el
templado y el revenido, tiene un contenido de carbono de
aproximadamente 0,18-0,23% por peso y un valor de
impacto Charpy de aproximadamente 60-70 J/cm^{2}.
El resultado es una mejora de la resistencia del interior de la
biela 1.
Obsérvese que el SAE 1070 (equivalente al JIS
S70C) utilizado como material para la biela dividida convencional
tiene un contenido de carbono de 0,65-0,75% por peso
y un valor de impacto Charpy de 20-26
J/cm^{2}.
En relación primero con las figuras 11 a 14, el
ejemplo comparativo describe el avance de la fractura en el extremo
grande sin muescas, y en relación después con las figuras 15 a 17,
el ejemplo describe el avance de la fractura en el extremo grande
con muescas.
La figura 11 es un esquema ilustrativo del
avance de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para
obtener el extremo grande en el ejemplo comparativo; la figura 12
es un esquema que presenta el estado del plano de fractura para
obtener el extremo grande en el ejemplo comparativo; la figura 13 es
una vista ampliada de la zona C de la figura 12; y la figura 14 es
una vista transversal que presenta los pasos desde la fracturación
del extremo grande hasta el rectificado de la superficie interna en
el ejemplo comparativo.
En el ejemplo comparativo de la figura 11, se
presentan un par de ranuras de sujeción de cojinete 51 en la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
del extremo grande 30, donde se forman ranuras de inicio de
fractura 50 entre y en ambos extremos del par de ranuras de sujeción
de cojinete 51, respectivamente.
En general, el esfuerzo tiende a concentrarse en
las porciones menos gruesas y en las porciones de los extremos. Si
el orificio para perno 32 se encuentra en el centro del extremo
grande 30, el centro de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 32 corresponde a la porción menos gruesa.
Por tanto, los esfuerzos se concentran en el centro y en ambos
extremos de la superficie interna de la abertura para muñequilla del
cigüeñal 35.
En consecuencia, en el ejemplo comparativo de la
figura 11, la fractura comienza desde los tres puntos de las
ranuras de inicio de fractura 50 en el centro y en ambos extremos de
la superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35. El resultado es que la fractura avanza desde los tres puntos; es
decir, desde el centro y ambos extremos de la superficie interna de
la abertura para muñequilla del cigüeñal 35, como indican las
flechas de la figura 11.
En este caso, como se aprecia en las figuras 12
y 13, cuando el plano de fractura a formado por la fractura
procedente del centro de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35, y los planos de fractura b
formados por las fracturas procedentes de los dos extremos, se
desarrollan en niveles diferentes, se crea una región 350 como la
de la figura 14 (a) que da lugar a la superposición parcial de los
planos de fractura a y b, y a la consiguiente
formación de grietas dobles.
Obsérvese que, en un paso posterior, la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
se rectifica siguiendo la línea D-D, como se aprecia
en la figura 13. En un paso posterior a la división por fractura,
el método de fabricación convencional de la biela dividida también
requiere el biselado de un borde de la abertura para muñequilla del
cigüeñal 35, siguiendo la línea E-E.
A continuación, como se aprecia en la figura 14
(b), la separación de la barra 33 y del cabezal 34 da lugar a una
diferencia de nivel en una unión M de los planos de fractura
a y b. Como se aprecia en la figura 12, la unión M
está más próxima a la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
respecto a la línea central L1 del extremo grande 30, en la
dirección de la anchura Y.
Seguidamente, como se aprecia en la figura 14
(c), tras el montaje de la barra 33 y el cabezal 34, la superficie
interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 se rectifica
siguiendo la línea D-D. Tras el desmontaje de la
barra 33 y el cabezal 34, como se aprecia en la figura 14 (d), se
desprende una pieza rota 341 de la región 350, donde se superponen
los planos de fractura a y b.
La figura 15 es un esquema ilustrativo del
avance de la fractura a lo largo de un plano a fracturar para
obtener el extremo grande en el ejemplo; la figura 16 es un esquema
que presenta el estado del plano de fractura para obtener el
extremo grande en el ejemplo; y la figura 17 es una vista
transversal que presenta los pasos desde la fracturación del
extremo grande hasta el rectificado de la superficie interna en el
ejemplo.
En el ejemplo de la figura 15, un par de ranuras
de sujeción de cojinete 51 divide la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35 del extremo grande 30 en
tres partes, que son el centro aproximado, los dos extremos y los
bordes de la abertura para muñequilla del cigüeñal. En el centro
aproximado se forma una ranura de inicio de fractura 50, en ambos
extremos se forman muescas 52, y en los bordes de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35 se forman biseles 53.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
las muescas 52 es menor que el de la ranura de inicio de fractura
50, la concentración del esfuerzo se alivia en ambos extremos de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. Además, la formación de
los biseles 53 en los bordes de la abertura para muñequilla del
cigüeñal 35 alivia y minimiza la concentración del esfuerzo en los
bordes de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado
es la concentración del esfuerzo en el centro aproximado de la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35.
Por tanto, en el ejemplo de la figura 15, la
fractura se inicia desde el punto único en el centro aproximado de
la superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35. El resultado es que la fractura avanza desde el punto único en
el centro aproximado de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35, como indican las flechas de la figura
15.
En este caso, como se aprecia en la figura 16,
la fractura desde el centro aproximado de la superficie interna de
la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 forma un plano de
fractura F. Como se aprecia en la figura 17 (a), la barra 33 y el
cabezal 34 se fracturan y separan a lo largo del plano único de
fractura F, impidiéndose así la formación de grietas dobles.
En consecuencia, como se aprecia en la figura 17
(b), tras la separación de la barra 33 y el cabezal 34 no hay
ninguna diferencia de nivel en el plano de fractura F.
Seguidamente, como se aprecia en la figura 17
(c), tras el ensamblaje de la barra 33 y el cabezal 34, la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
se rectifica siguiendo la línea D-D. Como se aprecia
en la figura 17 (d), no se desprenden piezas rotas tras el
desensamblaje de la barra 33 y el cabezal 34.
Por tanto, en la presente forma de realización
no hay ninguna región donde se superpongan varios planos de
fractura entre la línea central L1 del extremo grande 30 y la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
en la dirección de la anchura Y, como se aprecia en la figura 16. La
eliminación de dicha región al menos entre la línea L2 tangente al
orificio para perno 32 en paralelo con la dirección axial X y la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
impide que se desprenda una pieza rota durante el rectificado de la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35.
En la biela dividida 1 según la presente forma
de realización preferida, aunque se utilice un material muy
resistente, la fractura se inicia desde el punto único en la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
tras la división por fractura del extremo grande 30, y avanza desde
ese punto único en el centro aproximado de la superficie interna de
la abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es la
fracturación y división del extremo grande 30 en una barra 33 y un
cabezal 34 a lo largo del plano de fractura único F, impidiéndose
así la formación de grietas dobles. De este modo se evita la
formación de una proyección considerable en el plano de fractura F
y el desprendimiento de una pieza rota de dicho plano de fractura F.
El ensamblaje de la barra 33 y el cabezal 34 del extremo grande da
lugar a un alto grado de redondez y cilindricidad, al tiempo que se
logra un descenso significativo del porcentaje de productos
defectuosos.
Además, la división por fractura del extremo
grande 30 de la biela dividida 1 puede realizarse utilizando la
plantilla simple de la figura 9, sin necesidad de equipos costosos.
Por consiguiente, el coste de fabricación de la biela dividida 1 se
abarata. Por otra parte, el uso de un material muy resistente mejora
la tolerancia de la biela dividida 1.
En la presente forma de realización preferida,
es más conveniente que la abertura para muñequilla del cigüeñal 35
corresponda a una abertura de un extremo grande o a una primera
abertura, y que la abertura para pasador de pistón 25 corresponda a
una segunda abertura.
La figura 18 es un diagrama esquemático
ilustrativo del avance de la fractura a lo largo de un plano a
fracturar para obtener una biela dividida que tiene algunas
características del presente invento.
En la segunda forma de realización preferida, un
par de ranuras de sujeción de cojinete 51 dividen la superficie
interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 del extremo
grande 30 en tres partes: en el centro aproximado se forma una
ranura de inicio de fractura 50, en los bordes de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35 se forman biseles 53, permaneciendo
planos ambos lados de las ranuras de sujeción de cojinete 51, sin
que se formen ranuras de inicio de fractura 50 ni muescas 52. Es
preferible que la ranura de inicio de fractura 50 se forme por
maquinado con rayos láser, corte u otros procesos adecuados.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
la superficie plana es menor que el de la ranura de inicio de
fractura 50, la concentración del esfuerzo se alivia y minimiza en
ambos extremos de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35. Además, la formación de los biseles 53
en los bordes de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 alivia
y minimiza la concentración del esfuerzo en los bordes de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es la
concentración del esfuerzo en el centro aproximado de la superficie
interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35.
Por tanto, la fractura se inicia desde el punto
único en el centro aproximado de la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es que la
fractura avanza desde el punto único en el centro aproximado de la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35,
como indican las flechas de la figura
18.
18.
En este caso, la fractura forma un plano de
fractura desde el centro aproximado de la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es la
fracturación y división del extremo grande 30 en una barra 33 y un
cabezal 34 a lo largo del plano de fractura único, impidiéndose así
la formación de grietas dobles.
La figura 19 es un diagrama esquemático
ilustrativo del avance de la fractura a lo largo de un plano a
fracturar para obtener una biela dividida según una tercera forma
de realización preferida.
En la tercera forma de realización preferida, un
par de ranuras de sujeción de cojinete 51 divide la superficie
interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 del extremo
grande 30 en tres partes: en un extremo se forma una ranura de
inicio de fractura 50, en el centro aproximado y en el otro extremo
se forman muescas 52, y en los bordes de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35 se forman biseles 53. La ranura de inicio
de fractura 50 se forma por maquinado con rayos láser, corte u
otros procesos adecuados.
En este caso, la concentración del esfuerzo se
alivia y minimiza en el otro extremo y en el centro aproximado de
la superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal
35. Además, la formación de los biseles 53 en los bordes de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35 alivia y minimiza la
concentración del esfuerzo en los bordes de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es la concentración del
esfuerzo en un extremo de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35.
Por tanto, la fractura se inicia desde el punto
único en el extremo de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es que la fractura avanza
desde el punto único en un extremo de la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35, como indica la flecha de
la figura 19.
En este caso, la fractura forma un plano de
fractura desde un extremo de la superficie interna de la abertura
para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es la fracturación y
división del extremo grande 30 en una barra 33 y un cabezal 34 a lo
largo del plano de fractura único, impidiéndose así la formación de
grietas dobles.
La figura 20 es un diagrama esquemático
ilustrativo del avance de la fractura a lo largo de un plano a
fracturar para obtener una biela dividida según una cuarta forma de
realización preferida.
En la cuarta forma de realización preferida, un
par de ranuras de sujeción de cojinete 51 divide la superficie
interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35 del extremo
grande 30 en tres partes: en el centro aproximado se forma una
ranura de inicio de fractura 50, y en ambos extremos de la abertura
para muñequilla del cigüeñal 35 se forman muescas. La abertura para
muñequilla del cigüeñal 35 no lleva biseles 53 en los bordes.
Como el factor de concentración del esfuerzo de
las muescas 52 es menor que el de la ranura de inicio de fractura
52, la concentración del esfuerzo se alivia y minimiza en ambos
extremos de la superficie interna de la abertura para muñequilla
del cigüeñal 35. El resultado es la concentración del esfuerzo en el
centro aproximado de la superficie interna de la abertura para
muñequilla del cigüeñal 35.
Por tanto, la fractura se inicia desde el punto
único en el centro aproximado de la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es que la
fractura avanza desde el punto único en el centro aproximado de la
superficie interna de la abertura para muñequilla del cigüeñal 35,
como indican las flechas de la figura
20.
20.
\newpage
En este caso, la fractura forma un plano de
fractura desde el centro aproximado de la superficie interna de la
abertura para muñequilla del cigüeñal 35. El resultado es la
fracturación y división del extremo grande 30 en una barra 33 y un
cabezal 34 a lo largo del plano de fractura único, impidiéndose así
la formación de grietas dobles.
La formación de ranuras de sujeción de cojinete
51 no es imprescindible en las estructuras de las figuras 15, 18,
19 y 20. La formación de biseles 53 no es imprescindible en las
estructuras de las figuras 15, 18 y 19.
Otra posibilidad más es la formación de una sola
ranura de sujeción de cojinete 51 en una o en ambas posiciones
opuestas en la superficie interna de la abertura para muñequilla del
cigüeñal 35, o la formación de tres o más ranuras de sujeción de
cojinete 51 en las mismas.
La figura 21 es una vista transversal
ilustrativa de un ejemplo de un motor que comprende la biela
dividida 1 según una forma de realización preferida.
El motor 100 de la figura 21 comprende un cárter
de cigüeñal 110, un bloque de cilindros 120 y una culata de
cilindros 130.
El cárter de cigüeñal 110 cuenta con un eje de
cigüeñales 111. El eje de cigüeñales 111 comprende una muñequilla
del cigüeñal 112 y un brazo de cigüeñal 113.
El bloque de cilindros 120 está dispuesto por
encima del cárter de cigüeñal 110. El bloque de cilindros 120
contiene un manguito de cilindro de configuración cilíndrica 121 con
un pistón 122 dispuesto para el movimiento alternativo en dirección
axial. El pistón 122 tiene un pasador de pistón 123.
El pasador de pistón 123 va insertado en la
abertura para pasador de pistón del extremo pequeño 20 de la biela
dividida 1. Una muñequilla del cigüeñal 112 va insertada en la
abertura para muñequilla del cigüeñal del extremo grande 30 de la
biela dividida 1 con un metal de soporte 114 entre ambos elementos.
De este modo, el pasador de pistón 123 y la muñequilla del cigüeñal
112 quedan acoplados entre sí. El metal de soporte 114 se sujeta en
las ranuras de sujeción de cojinete 51 de las figuras 1 a 4.
Por encima del bloque de cilindros 120 se
dispone una culata de cilindros 130. Juntos, el bloque de cilindros
120 y la culata de cilindros 130 definen una cámara de combustión
131. En la culata de cilindros 130 se han formado un orificio de
admisión 132 y un orificio de escape 133. El orificio de admisión
132 tiene una válvula de admisión 134 dispuesta para poder abrirse
en su abertura del extremo inferior, y el orificio de escape 133
tiene una válvula de escape 135 que puede abrirse en su abertura del
extremo inferior.
En el motor 100 de la figura 21, la abertura
para muñequilla del cigüeñal 35 de la biela dividida 1 según una
forma de realización preferida que ya se ha descrito tiene un alto
grado de redondez y cilindricidad que reduce las pérdidas por
fricción e impide el agarrotamiento del motor. Además, con el
ensamblaje de la biela dividida 1 en el motor se impide que piezas
metálicas rotas dañen los componentes del mismo. En consecuencia,
se obtiene un motor 100 de alto rendimiento y bajo coste. Por otra
parte, el uso de un material muy resistente para la biela dividida
1 mejora la tolerancia del motor 100.
La figura 22 es una vista esquemática de una
motocicleta equipada con el motor 100 de la figura 21.
En la motocicleta automática 100 de la figura
22, un bastidor de carrocería 301 lleva un tubo de cabecera 302 en
su extremo delantero. El tubo de cabecera 302 va equipado con una
horquilla delantera 303 que puede oscilar a izquierda y derecha. En
el extremo inferior de la horquilla delantera 303 hay una rueda
delantera 304 que se sustenta y gira alrededor de la misma. En el
extremo superior del tubo de cabecera 302 se ha montado un manillar
305.
Se ha montado un carril de asiento 306 que se
extiende hacia atrás desde la entrada del extremo inferior del
bastidor de carrocería 301. Por encima del bastidor de carrocería
301 se ha dispuesto un depósito de combustible 307. En el carril de
asiento 306 se han dispuesto un asiento principal 308a y un asiento
en tándem 308b.
Se ha montado un brazo trasero 309 que se
extiende hacia atrás desde el extremo trasero del bastidor de
carrocería 301. Una rueda trasera 310 se sustenta y gira en el
extremo trasero del brazo trasero 309.
Es preferible que el motor 100 de la figura 21
se mantenga en el centro aproximado del bastidor de carrocería 301.
El motor 100 comprende la biela dividida 1 según una forma de
realización preferida que ya se ha descrito. En la parte delantera
del motor 100 se ha montado un radiador 311. El orificio de escape
del motor 100 va conectado a un tubo de escape 312, que a su vez en
el extremo trasero va montado en el silenciador 313.
El motor 1 va acoplado a una transmisión 315.
Alrededor de un eje motor 316 de la transmisión 315 se ha montado
una rueda dentada motriz 317. La rueda dentada motriz 317 va
acoplada por medio de una cadena 318 a una rueda dentada trasera
319 de un rueda trasera 310. En la presente forma de realización
preferida, la transmisión 315 y la cadena 318 corresponden a un
mecanismo de transmisión.
La motocicleta de la figura 22 comprende el
motor 100 de la figura 21, que ofrece coste reducido, rendimiento
superior y tolerancia mejorada.
Obsérvese que la biela dividida 1 según una
forma de realización preferida que ya se ha descrito y el motor
100, que comprende dicha biela dividida, pueden encontrar
aplicaciones en otros vehículos distintos de una motocicleta, por
ejemplo en un coche de cuatro ruedas.
Claims (13)
1. Una biela dividida que comprende (a) un
cuerpo de biela (10) y (b) un extremo grande (30) que tiene una
abertura íntegramente incorporada a un extremo de dicho cuerpo de
biela (10), en virtud de lo cual se forma una ranura de inicio de
fractura (50) en cada una de las posiciones opuestas en una
superficie interna de dicha abertura y en una porción de una línea
que se extiende a lo largo de una dirección axial de dicha abertura
de tal manera que la ranura de inicio de fractura (50) tiene un
factor de concentración del esfuerzo mayor que el de otra porción
de la línea que se extiende a lo largo de la dirección axial de
dicha abertura, (c) muescas (52) primera y segunda con superficies
inferiores curvadas y formadas en regiones que se cortan con la
otra porción mencionada de cada línea que se extiende a lo largo de
la dirección axial en la superficie interna de dicha abertura, (d)
ranuras de sujeción de cojinete (51) primera y segunda con
superficies inferiores curvadas y formadas en regiones que se
cortan con la otra porción mencionada de la línea que se extiende a
lo largo de la dirección axial en al menos una de dichas posiciones
opuestas en la superficie interna de dicha abertura, (e)
profundidades (H2) de las muescas (52) y profundidades (H3) de las
ranuras de sujeción de cojinete (51) iguales o mayores que una
profundidad (H1) de la ranura de inicio de fractura (50), y (f)
dichas muescas (52) y dichas ranuras de sujeción de cojinete (51)
con factores de concentración del esfuerzo menores que un factor de
concentración del esfuerzo de dicha ranura de inicio de fractura
(50), dividiéndose por fractura dicho extremo grande (30) a lo
largo de dicha ranura de inicio de fractura (50).
2. Una biela dividida según la reivindicación 1,
en virtud de lo cual dicha ranura de inicio de fractura (50) se
forma en un centro aproximado de cada línea que se extiende a lo
largo de la dirección axial en la superficie interna de dicha
abertura.
3. Una biela dividida según la reivindicación 1,
en virtud de lo cual dicha ranura de inicio de fractura (50) se
forma en un extremo de cada línea que se extiende a lo largo de la
dirección axial en la superficie interna de dicha
abertura.
abertura.
4. Una biela dividida según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en virtud de lo cual al menos una de las
ranuras de sujeción de cojinete (51) se forma entre las muescas
(52) primera y segunda.
5. Una biela dividida según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en virtud de lo cual un interior de dicho
cuerpo de biela (10) y de dicho extremo grande (30) se fabrica con
un acero cuyo contenido de carbono oscila entre aproximadamente
0,05% por peso y 0,45% por peso, teniendo una capa superficial de
dicho cuerpo de biela (10) y de dicho extremo grande (30) un
contenido de carbono superior al del interior de los mismos.
6. Un motor compuesto por (a) un cilindro; (b)
un pistón (122) dispuesto para realizar un movimiento alternativo
en dicho cilindro; (c) un pasador de pistón (123) instalado en dicho
pistón; (d) un eje de cigüeñales (111) dispuesto para que gire; (e)
una muñequilla del cigüeñal (112) dispuesta en dicho eje de
cigüeñales (111); y (f) una biela dividida (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 5 que tiene un extremo pequeño (20), uniéndose
dicha biela dividida (1) a dicho pasador de pistón (123) y a dicha
muñequilla del cigüeñal (112).
7. Un vehículo compuesto por (a) un motor (100)
según la reivindicación 6 que genera energía; (b) una rueda motriz
(310); y (c) un mecanismo de transmisión (315) que transmite la
energía generada por dicho motor (100) a dicha rueda motriz
(310).
8. Un método para fabricar una biela dividida
que comprende los pasos de (a) formar una biela (1) constituida por
un cuerpo de biela (10) y un extremo grande (30) con una abertura
incorporada integralmente en un extremo del cuerpo de biela (10);
(b) formar, en cada posición opuesta en una superficie interna de
dicha abertura, una ranura de inicio de fractura (50) en una
porción de una línea que se extiende a lo largo de la dirección
axial de dicha abertura para que tenga un factor de concentración
del esfuerzo mayor que otra porción de la línea que se extiende a
lo largo de la dirección axial de dicha abertura; (c) formar muescas
(52) primera y segunda con superficies inferiores curvadas en
regiones que se cortan con la otra porción mencionada de cada línea
que se extiende a lo largo de la dirección axial en la superficie
interna de dicha abertura, teniendo dichas muescas (52) una
profundidad (H2) igual o mayor que una profundidad (H1) de la ranura
de inicio de fractura (50), y teniendo dichas muescas (52) un
factor de concentración del esfuerzo menor que el de dicha ranura
de inicio de fractura (50); (d) formar, en al menos una de dichas
posiciones opuestas en la superficie interna de dicha abertura,
ranuras de sujeción de cojinete (51) primera y segunda con
superficies inferiores curvadas en secciones que se cortan con la
otra porción mencionada de la línea que se extiende a lo largo de
la dirección axial en la superficie interior de dicha abertura,
teniendo dichas ranuras de sujeción de cojinete (51) una
profundidad (H3) igual o mayor que la profundidad (H1) de la ranura
de inicio de fractura (50), y teniendo dichas ranuras de sujeción
de cojinete (51) un factor de concentración del esfuerzo menor que
el de dicha ranura de inicio de fractura (50); y (e) dividir dicho
extremo grande (30) por fractura a lo largo de dicha ranura de
inicio de fractura
(50).
(50).
9. Un método para fabricar una biela dividida
según la reivindicación 8, en virtud de lo cual el paso consistente
en formar dicha ranura de inicio de fractura (50) comprende el paso
consistente en formar dicha ranura de inicio de fractura (50) en un
centro aproximado de cada línea que se extiende a lo largo de la
dirección axial en la superficie interna de dicha abertura.
10. Un método para fabricar una biela dividida
según la reivindicación 8, en virtud de lo cual el paso consistente
en formar dicha ranura de inicio de fractura (50) comprende el paso
consistente en formar dicha ranura de inicio de fractura (50) en un
extremo de cada línea que se extiende a lo largo de la dirección
axial en la superficie interna de dicha abertura.
11. Un método para fabricar una biela dividida
según una de las reivindicaciones 8 a 10, en virtud de lo cual el
paso consistente en formar dicho cuerpo de biela (10) y dicho
extremo grande (30) comprende el paso consistente en formar dicho
cuerpo de biela (10) y dicho extremo grande (30) con un acero cuyo
contenido de carbono oscila entre aproximadamente 0,05% por peso y
0,45% por peso.
12. Un método para fabricar una biela dividida
según la reivindicación 11, en virtud de lo cual el paso consistente
en formar dicho cuerpo de biela (10) y dicho extremo grande (30)
también comprende el paso consistente en realizar un proceso de
endurecimiento superficial para que una capa superficial de dicho
cuerpo de biela y de dicho extremo grande (30) tenga un contenido
de carbono mayor que el de un interior de los mismos.
13. Un método para fabricar una biela dividida
según una de las reivindicaciones 8 a 12, en virtud de lo cual el
paso consistente en formar dicha ranura de inicio de fractura (50)
comprende el paso consistente en formar dicha ranura de inicio de
fractura (50) con maquinado mediante electroerosión por cable.
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