ES2428157T3

ES2428157T3 - Eje con componente fijado

Info

Publication number: ES2428157T3
Application number: ES07729962T
Authority: ES
Inventors: Wolfgang Mayer
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: EP2027170B1; WO2007144301A1; JP2009540240A; PT2027170E; US20090139368A1; PL2027170T3; DE102006027494A1; KR20090027632A; EP2027170A1

Abstract

Eje (1) con un cuerpo del eje (2) y por lo menos un componente (3) fijado sobre él, en el que la unión del componente(3) con el cuerpo del eje (2) se realiza por forma (7,8) y por material (4), caracterizado porque la unión pormaterial se realiza con un adhesivo estructural de alta resistencia.

Description

Eje con componente fijado

5 La invención se refiere a un eje con un componente fijado. Los ejes de este tipo se utilizan en especial como árboles de levas por ejemplo para motores de combustión interna para controlar las válvulas. Pero la invención no se refiere solamente a árboles de levas, sino que puede aplicarse en todos aquellos casos, en los que su utilización aporte ventajas de costes y de calidad en términos de técnicas de producción.

En el estado de la técnica se conocen árboles de levas que se fabrican de una sola pieza con hierro fundido o con hierro de fundición en coquillas (fundición dura o blanca, Hartschalenguss). Sin embargo, estos componentes tienen el inconveniente de que entre la fabricación del artículo en bruto hasta el árbol de levas listo para el montaje tienen que realizarse pasos de mecanización que son costosos y requieren mucha dedicación de personal (tiempo), por ejemplo la rectificación de las levas, el tratamiento térmico y el ajuste. Otro procedimiento de fabricación consiste en 15 la producción de un árbol de levas de varias piezas. Estos árboles de levas se denominan árboles de levas compuestos. El cuerpo del eje y las levas se fabrican por métodos separados. Las levas ya terminadas en lo fundamental pueden fijarse seguidamente al cuerpo del eje. En la patente DE 4121951 C1 se describe un árbol de levas construido de esta manera. En este caso, el cuerpo del eje y las levas se fabrican por separado. El cuerpo del eje presenta zonas de mayor diámetro que otras, en ellas pueden empujarse (incrustarse) las levas. La fijación de las levas en el cuerpo del eje se consigue por fuerza o cizallamiento entre las secciones de diámetro de mayor grosor del cuerpo del eje y las levas. El inconveniente de este procedimiento de fabricación estriba en el posicionado correcto de la leva en dirección radial con respecto al cuerpo del árbol de levas. El posicionado incorrecto de las levas entre sí puede tener graves consecuencias en el motor de combustión interna, porque incluso en el caso de una desviación muy pequeña de la posición de las levas ya no se puede garantizar el control de las válvulas del motor de

25 combustión interna. En el estado de la técnica se conocen también otras uniones por fuerza o por frotamiento. Un procedimiento conocido consiste en la producción de la unión entre el componente y el eje por una fijación cilíndrica a presión. Sin embargo, este es un procedimiento costoso y laborioso. Además tiene que utilizarse un cuerpo hueco para el eje, que tenga un grosor de pared adecuado. Si los cuerpos huecos del eje tienen una pared demasiado delgada pueden ocurrir que sufran una deformación plástica.

Se conocen también las uniones por material en el caso de ejes con componentes, por ejemplo por utilización de un adhesivo. Sin embargo, estas fijaciones no han conseguido imponerse, en especial en el caso de los árboles de levas, debido a la poca estabilidad a largo plazo que tiene la fijación sometida al calor y al aceite. Si un motor de combustión interna se para por ejemplo en una posición, en la que una leva del árbol está sometida a esfuerzo,

35 entonces el adhesivo tiende a ceder (deslizarse, deformarse), lo cual puede traducirse en un giro radial de la leva con respecto al cuerpo del eje. Este hecho puede ser todavía más acusado en las temperaturas elevadas existentes normalmente en las máquinas de combustión interna y por la presencia del aceite. En tal caso no se podría garantizar la nueva puesta en marcha impecable de la máquina de combustión interna.

En el documento DE 2838995 se describe un árbol de levas compuesto, en el que las levas se fijan en sentido radial por un perfilado. Por soldadura fuerte se une firmemente la leva con el cuerpo del eje en la posición prevista. El inconveniente de esta variante es la influencia que pueda tener el calor debido a la soldadura fuerte sobre el material. Debido a esta técnica de unión se provocan grandes concentraciones de tensión en las zonas del cordón, que reducen la capacidad de aguantar esfuerzos que tiene el árbol de levas en su conjunto. Este inconveniente deriva

45 también de otras técnicas de unión de los dos componentes, en los que se hace una aportación de calor, por ejemplo en la sinterización o en la soldadura. Para compensar las grandes concentraciones de tensión necesarios otros pasos de mecanización muy costosos del árbol de levas, por ejemplo el revenido o el recocido de eliminación de tensiones, que limitan en gran manera la viabilidad económica del procedimiento.

En el documento DE 2336241 se describe un árbol de levas, en el que las levas se fijan por adhesión. En el documento DE 19502381 se describe una técnica adhesiva para piezas de chapa.

Es, pues, objeto de la invención desarrollar un dispositivo de este tipo mejorado y de costes más bajos, que no tenga los inconvenientes recién descritos.

55 Este objeto se logra con las características de la reivindicación 1.

Las formas de ejecución ventajosas de la invención se describen en las reivindicaciones subordinadas.

La idea, en la que se basa la invención, consiste en generar la unión entre un cuerpo de eje y un componente con una combinación de unión por material y unión por forma, dicha unión por material se produce mediante un procedimiento de unión de bajo nivel térmico con un adhesivo estructural de alta resistencia. Con la unión por material se puede lograr por ejemplo un posicionado del componente en posición correcta sobre el cuerpo del eje en sentido radial con respecto a dicho cuerpo del eje. Cabe pensar en diseñar el cuerpo del eje con un perfil determinado, por 65 ejemplo un perfil poligonal o dotarlo de una o varias ranuras. El componente a fijar deberá tener el perfil adecuado o

presentar uno o varios saledizos, que encajen en las piezas opuestas correspondientes del cuerpo del eje. De esta manera gracias al diseño del cuerpo del eje y del componente antes del montaje gracias al empotrado recíproco puede predeterminarse cómo será la posición de los dos componentes entre sí. Obviamente cabe imaginar también otros tipos de uniones por forma, por ejemplo las uniones de chaveta paralela (lengüeta de ajuste) o las uniones de

5 árbol acanalado. Es ventajosa una unión por forma simétrica al centro del eje, de modo que las fuerzas a transmitir se repartan de forma homogénea. Después de un posicionado con preferencia en la posición correcta mediante una unión de forma del componente se realiza la unión del cuerpo del eje y dicho componente por un procedimiento de unión térmicamente bajo gracias a una unión por material. Se utilizan aquí los adhesivos estructurales de alta resistencia. Esta unión por material fija con preferencia el componente sobre el cuerpo del eje en sentido axial con respecto a dicho cuerpo del eje y además por unión de forma en sentido radial. En las condiciones de trabajo, las fuerzas que se aplican al componente se transmiten por tanto no solo a la unión de material sino también a la unión de forma.

Como adhesivos son adecuados los adhesivos estructurales de alta resistencia ya conocidos. Estos se eligen en

15 especial entre los adhesivos de 1 o de 2 componentes, basados en poliuretanos reticulables, en resinas epoxi y/o en adhesivos acrilato que reticulan en condiciones anaeróbicas. Pueden utilizarse también adhesivos poliimida estables a la temperatura. Los adhesivos deberán ser estables a la temperatura y a los disolventes en las condiciones de la utilización. Se entiende por adhesivos de resina epoxi los adhesivos basados en oligómeros o polímeros provistos de grupos epoxi, que pueden reticularse con reticulantes nucleófilos o electrófilos, por ejemplo poliaminas, poliamidas, polimercaptanos, polioles o polifenoles. Se entiende por adhesivos de reticulación anaeróbica aquellos adhesivos que contienen oligómeros o polímeros con dobles enlaces insaturados, por ejemplo grupos acrilato, y en los que se inicia la reticulación por radicales con intervención de un activador/sistema de iniciador y dicha reticulación se desencadena en condiciones anaeróbicas. Como activadores son apropiados los sistemas redox, en especial los sistemas que contienen metales. Se entiende por adhesivos de poliuretano los adhesivos reactivos basados en

25 poliuretanos que contienen grupos isocianato, que pueden suministrarse en forma de sistemas de 2 componentes o de 1 componente. Los sistemas de 1 componente reticulan por ejemplo con agua o con reticulantes latentes, que se activan con aportación de calor. En el caso de los sistemas de 2 componentes se hacen reaccionar los prepolímeros que llevan grupos isocianato con reticulantes que contienen grupos nucleófilos, reactivos con los isocianatos, por ejemplo grupos OH, NH, SH, COOH.

Los sistemas adecuados de adhesivo se describen por ejemplo en la Encyclopedia of Polymer Science and Technology (editorial Wiley, 2005) en el capítulo de los “adhesivos estructurales”. Tales adhesivos pueden mezclarse otros auxiliares y aditivos ya conocidos, por ejemplo catalizadores, cargas de relleno, diluyentes reactivos, adherentes, gracias a los cuales se puede influir específicamente en las propiedades del adhesivo.

35 Dado que la capa de adhesivo durante el funcionamiento del eje sufre principalmente esfuerzos de cizallamiento, la holgura (distancia) entre el componente y el cuerpo del eje, en el que se halla la capa de adhesivo estructural de alta resistencia, deberá mantenerse con preferencia lo más pequeña posible. Ha demostrado ser ventajoso el uso de una dimensión de holgura entre el componente y el cuerpo del eje inferior a 500 µm. De esta manera se evita que el adhesivo en las condiciones de funcionamiento se corte por cizallado debido a las fuerzas que actúan sobre el componente y destruya la unión por material.

En el contexto de la presente invención se toman en consideración los cuerpos de eje macizos y también los huecos. En una forma ventajosa de ejecución de la invención está previsto que el cuerpo del eje sea un tubo hueco. De

45 este modo se ahorra por ejemplo peso, lo cual es muy ventajoso en especial para el uso en motores de combustión interna. En este caso, el tubo hueco del eje puede utilizarse además en especial para el transporte del aceite. Los momentos de giro dinámicos que se pueden transmitir son igual de grandes que en el caso de los cuerpos de eje macizos. En el contexto de la presente invención, el cuerpo del eje puede estar formado por materiales metálicos y no metálicos, en especial por un material de hierro-carbono, por aleaciones de hierro o de hierro sin alear, por hierro con láminas o con bolas de grafito, por hierro fundido o por hierro inyectado así como en función de la finalidad de uso por materiales apropiados para fabricar dicho eje.

Otra ventaja es el uso de un cuerpo de eje en forma de tubo hueco con medios para equilibrar la masa excéntrica. Para ello, el cuerpo del eje puede moldearse durante su misma producción de una manera predeterminada por

55 técnicas de vibración (oscilación) para que salga equilibrado. Cabe pensar aquí por ejemplo en un cuerpo de eje de fundición, que en determinados segmentos tenga un grosor de pared mayor o menor, en forma de convexidad (abombamiento) o de depresión. De este modo, el eje puede fabricarse equilibrado ya en este primer paso de la producción, aplicando determinadas características técnicas de vibración. Como alternativa o además cabe imaginar un perfilado interior apropiado del cuerpo del eje en forma de tubo hueco, acorde con el perfilado exterior necesario para la unión por forma con los componentes. Si se configura por ejemplo el perfil exterior del cuerpo del eje en forma de perfil poligonal, entonces es ventajoso configurar el perfil interior inversamente al perfil exterior del cuerpo del eje.

En el diseño de la invención está previsto fabricar el cuerpo del eje y los componentes con el mismo material. Esto 65 simplifica por ejemplo la fabricación y el mecanizado en especial en los casos en los que el eje y el componente Otra ventaja es la fabricación del cuerpo del eje y por lo menos un componente con diferentes materiales. Por ejem

5 plo, para los componentes unidos al cuerpo del eje pueden utilizarse materiales valiosos y/o idóneos para tal función, que resistan mejor las exigencias de los esfuerzos (cargas). Para ello el cuerpo del eje y/o los componentes que soportan menores esfuerzos pueden fabricarse con materiales más baratos y/o más fáciles de mecanizar, de modo que puede conseguirse un potencial adicional de ahorro manteniendo una alta capacidad de resistencia mecánica. Para los componentes que soportan mayores esfuerzos pueden utilizarse en especial los aceros de rodamientos que son extraordinariamente resistentes al desgaste, el acero de colada, los materiales de fundición, la cerámica o los materiales sinterizados.

Otra ventaja consiste en el uso de componentes de material sinterizado. Cuando se emplean componentes sinterizados, en especial cuando la fabricación de los componentes y del cuerpo del eje se realiza con la debida exactitud

15 y el posterior montaje se realiza también con precisión, se podrá prescindir de otros pasos de mecanizado del eje, por ejemplo de procesos de esmerilado (lijado). Gracias a la tecnología de la sinterización se pueden fabricar componentes de cualquier forma geométrica, que están listos para el montaje sin necesidad de ningún mecanizado posterior. Un ejemplo es el uso de los componentes y del cuerpo del eje en un árbol de levas que tenga un cuerpo perfilado, por ejemplo en forma ovalada, elíptica o poligonal. Gracias a la tecnología de la sinterización pueden diseñarse las aberturas (los orificios) de los componentes, por ejemplo levas u otros elementos de control, con los que estos se insertan en el cuerpo del eje, en función del perfil del cuerpo del ejes y en función de la posición radial de los componentes sobre dicho cuerpo del eje con respecto al eje longitudinal del cuerpo del eje. Otros tipos ventajosos de fabricación de los componentes pueden ser el forjado-sinterizado, la colada (fundición) o la forja.

25 En un desarrollo ulterior ventajoso de la invención, el eje es un árbol de levas, como los que se emplean por ejemplo en los motores de combustión interna. El cuerpo del eje puede ser un tubo de árbol de levas y los componentes pueden ser por ejemplo levas, alojamiento de ruedas dentadas, rodamientos axiales, bordes de rodamientos, señalizadores, excéntricas y/o ruedas dentadas.

A continuación se ilustran con mayor detalle algunas formas de ejecución posibles de la invención mediante las figuras.

En la figura 1 se representa la vista lateral de una sección del eje de la invención con los componentes. En la figura 2 se representa la sección transversal del eje de la invención con un componente.

35 Lista de referencias:

1.: árbol de levas

2.: cuerpo del eje

3.: leva

4.: capa de adhesivo

5.: depresión

6.: abombamiento

7.: saledizo

45 8. entalladura

La sección representada en las figuras 1 y 2 de un eje de la invención se utiliza como árbol de levas compuesto (montado) y se caracteriza en general con el número 1. El árbol de levas 1 tiene un cuerpo 2, que puede configurarse como tubo hueco. El cuerpo del eje 2 se fabrica con preferencia con un tubo de acero. Con el cuerpo del eje 2 son están firmemente unidas las levas 3 fabricadas por separado. La unión de las levas 3 con el cuerpo del eje 2 se realiza mediante una unión de forma representada en la figura 2 y mediante una unión de material realizada con una capa de adhesivo 4. En el presente ejemplo de ejecución, para la capa de adhesivo se emplea como adhesivo estructural de alta resistencia un adhesivo de reticulación anaeróbica. Pueden utilizarse igualmente los adhesivos de resina epoxi o de poliuretano de uno o de dos componentes. Para la realización del árbol de levas 1 se posicionan

55 por lo general los demás componentes adicionales no representados, por ejemplo un buje, un alojamiento de rueda dentada, un rodamiento axial con borde y por lo general también un posicionador asimétrico y/u otros elementos de control sobre el árbol de levas 1. Para proporcionar un árbol de levas 1, que desde el punto de vista de la técnica de vibración esté perfectamente equilibrado, se han previsto en la cara interior del cuerpo del eje 2, configurado como tubo hueco, los abombamientos 6 y las escotaduras 5. Tal como se representa en el presente ejemplo de ejecución, pueden hallarse en la superficie interior del tubo hueco 2 e incluso en la superficie exterior. En la variante representada se recomienda por ejemplo la utilización de un cuerpo de eje fundido hueco 2, de modo que puedan preverse ya en la misma producción del cuerpo de eje 2 escotaduras y abombamientos 5,6, para que el cuerpo del eje 2 esté equilibrado del modo previsto desde el punto de vista de la técnica de vibración.

65 En la figura 2 se representa una sección del árbol de levas de la invención 1 a través del cuerpo del eje 2 y la leva 3.

El cuerpo del eje de la invención 2 tiene una escotadura 8. Esta escotadura está diseñada para que, durante el montaje de las levas 3 y cuerpo del eje 2 en esta escotadura, un saledizo 7 previsto en la superficie interior de la leva 3 pueda encajar en dicha escotadura. De este modo se genera la unión por forma entre cuerpo del eje 2 y la leva 3. La unión por forma ilustrada en el ejemplo de ejecución puede, obviamente, realizarse también de otras 5 maneras. Aquí cabría pensar en un perfil poligonal del cuerpo del eje 2 y en perfil adecuado del orificio de la leva 3 con el que la leva 3 podrá incrustarse en el cuerpo del eje 2. También la superficie interior de la abertura de la leva 3 puede tener un o varios espolones salientes, que engranen en la hendidura correspondiente de la superficie exterior del cuerpo del eje 2. Con esta unión por forma, la leva 3 se posiciona correctamente en sentido radial con respecto al cuerpo del eje 2. Las distintas posiciones de fase de varias levas 3 fijadas sobre el cuerpo del eje 2 pueden de10 terminarse ya con la fabricación de una leva 3. Los saledizos 8 de las levas 3 se configurarán con preferencia con arreglo a la posición de fase deseada en diversas posiciones del orificio de las levas 3. Las levas 3 se fabrican con preferencia por el procedimiento de sinterización y, según la posición de fase predeterminada, se dotarán de la forma adecuada. El árbol de levas 1 tiene además una capa de adhesivo 4 entre la leva 3 y el cuerpo del eje 2. Esta capa adhesiva 4 sirve para la fijación en sentido axial con respecto al cuerpo del eje 2 y además para la unión por

15 forma en sentido radial.

Para el montaje del árbol de levas 1 se desplaza la leva 3 hacia el cuerpo del eje 2 en una posición angular predeterminada con respecto al centro del eje. El cuerpo del eje 3 puede tener un perfil cualquiera, adaptado a la finalidad de uso y el orificio de la leva 3 puede ser perfilado, siempre invertido respecto al anterior. La aplicación de la capa de 20 adhesivo 4 entre la leva 3 y el cuerpo del eje 2 puede realizarse en especial empleando un adhesivo de baja viscosidad y buena fluidez después de que la leva 3 haya alcanzado la posición prevista en el cuerpo del eje 2. Cabe pensar de igual manera, en especial en el caso de un adhesivo más viscoso, en realizar la aplicación incluso antes de que la leva 3 alcance la posición prevista. Esto es posible tanto sobre la superficie del encamisado del cuerpo del eje 2, como en la superficie interior del orificio de la leva 3. De este modo durante el desplazamiento de la leva 3

Claims

25 hacia el cuerpo del eje 2 se proporciona un reparto homogéneo del adhesivo aplicado. Además, la capa de adhesivo 4, cuando todavía no ha reticulado, puede actuar como película lubricante, que facilita el empotramiento de la leva 3 en el cuerpo del eje 2. Además de las levas 3, el árbol de levas 1 puede contener otros componentes no representados, por ejemplo levas, alojamientos de ruedas dentadas, rodamientos axiales, bordes de rodamientos axiales, señalizadores y similares.

30 1. Eje (1) con un cuerpo del eje (2) y por lo menos un componente (3) fijado sobre él, en el que la unión del compo

nente (3) con el cuerpo del eje (2) se realiza por forma (7,8) y por material (4), caracterizado porque la unión por 5 material se realiza con un adhesivo estructural de alta resistencia.
2. Eje (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el componente (3) está posicionado por unión de forma (7,8) sobre el cuerpo del eje (2) en sentido radial.

10 3. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el componente (3) está fijado por unión material (4) en sentido axial sobre el cuerpo del eje (2).
4. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza un adhesivo de resina epoxi

como adhesivo estructural de alta resistencia (4) para la unión por material. 15
5. Eje (1) según una de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque se utiliza un adhesivo de reticulación anaeróbica como adhesivo estructural de alta resistencia para generar la unión por material (4).
6. Eje (1) según una de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque se utiliza un poliuretano como adhesivo 20 estructural de alta resistencia para generar la unión por material (4).
7. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la dimensión de la holgura (separación) entre el componente (3) y el cuerpo del eje (2) es menor o igual a 500 µm.

25 8. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cuerpo del eje (2) es un tubo hueco.
9. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cuerpo del eje (2) es un tubo hueco, en el que están previstos medios (5,6) para equilibrar las masas excéntricas.

30 10. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cuerpo del eje (2) y el componente

(3) se fabrican con el mismo material.
11. Eje (1) según una de las reivindicaciones de 1 a 9, caracterizado porque por lo menos un componente (3) se

fabrica con un material distinto al cuerpo del eje (2). 35
12. Eje (1) según una de las reivindicaciones de 1 a 9, caracterizado porque por lo menos un componente (3) está formado por un material sinterizado, por un material forjado por sinterización, por un material de fundición o por un material forjado.

40 13. Eje (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el componente (3) es un rodamiento y/o un elemento de control configurado de forma discrecional, por ejemplo levas (3), excéntricas o ruedas dentadas.

Figura 2