ES2262023T3 - Un dispositivo para convertir un movimiento de rotacion en un movimiento de traslacion; asi como a un dispositivo realizado conforme a este procedimiento. - Google Patents
Un dispositivo para convertir un movimiento de rotacion en un movimiento de traslacion; asi como a un dispositivo realizado conforme a este procedimiento.Info
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un árbol hueco (3), donde se fabrica por lo menos un elemento elevador (2) mediante un procedimiento de conformado por alta presión interior, con un rebaje periférico, donde el rebaje está limitado por dos zonas del borde dotadas de radio y donde se aplica por lo menos una capa funcional (3) de un material cerámico, ceramal o metálico, rellenando el rebaje y engrapándolo mecánicamente con una superficie del rebaje y a continuación se mecaniza el elemento elevador en la zona de la capa funcional para formar una superficie funcional.
Description
Un dispositivo para convertir un movimiento de
rotación en un movimiento de traslación; así como a un dispositivo
realizado conforme a este procedimiento.
La invención se refiere a un procedimiento para
crear un dispositivo para convertir un movimiento de rotación en un
movimiento de traslación, así como a un dispositivo realizado
conforme a este procedimiento.
La presente invención se refiere en particular a
un árbol de levas, preferentemente para motores de automóviles.
Además de esto, la presente invención también se refiere a elementos
o conjuntos similares que convierten un movimiento de rotación en un
movimiento de traslación, en particular en un movimiento de
elevación, para lo cual ruedan, por ejemplo, elementos elevadores
sobre discos (levas) rotativas con diferente curvatura y se mueven
en sentido contrario al de giro. Aquí hay que citar también
preferentemente las transmisiones de levas.
El estado actual de los procesos de fabricación
para fabricar árboles de levas, en particular en la fabricación en
gran serie, está marcado principalmente por árboles de levas
fundidos en cáscara dura, que después parcialmente se vacían o que
también están colados en hueco. Para unas necesidades de resistencia
superiores existen variantes forjadas.
Los procedimientos introducidos en el mercado de
los árboles de levas designados como macizos dominan por su precio,
a la vista del compromiso técnico que siempre hay que sopesar entre
los costes de fabricación y los parámetros de rendimiento técnico
(tales como resistencia y desgaste) así como de los muchos años de
experiencia existentes en la fabricación en serie de los mismos.
Pero empleados preferentemente en el campo de
los sistemas de palancas de arrastre de rodillos se empiezan a
imponer también los árboles de levas fabricados. En éstos, la
fijación de las levas sobre el árbol se realiza, por ejemplo,
mediante calado a presión y/o mediante ensanchamiento parcial del
cuerpo del árbol directamente debajo de la leva. Para ello las levas
se unen al árbol de forma individual y sucesiva.
Los árboles de levas fabricados tienen sin
embargo límites en cuanto a la libertad de diseño de proyecto.
Además existe únicamente una unión de ajuste por fuerza o forma
entre las levas y el árbol. Además, los árboles de levas fabricados
son de fabricación relativamente cara y sus costes, en comparación
con un árbol fundido convencional, son aproximadamente un 30%
superiores.
Por este motivo, los árboles de levas fabricados
solamente se emplean cuando el material de fundición haya alcanzado
sus límites técnicos. Los árboles de levas fabricados se emplean
principalmente para reducir peso. El ahorro de peso que puede
obtenerse en comparación con árboles de levas fundidos macizos es
del 20-40%.
Por la publicación DE 199 07 258 C 1 se conoce
un procedimiento para la fabricación de un árbol de levas así como
un árbol de levas fabricado con éste, donde el árbol de levas está
fabricado por conformado mediante alta presión interior y a
continuación se aplica, en la zona de las superficies de rodadura,
una capa de material resistente al desgaste, por la acción de un
chorro portador de carga. Para ello se introduce un material
resistente al desgaste, en forma de fleje o alambre, en el vacío
dentro del campo de energía del chorro de electrones, con una
velocidad definida, se funde y se aplica sobre la superficie de
rodadura de una leva del árbol de levas. A continuación tiene lugar
el mecanizado de las superficies de rodadura para obtener la
dimensión final deseada.
Al fundir y transferir el material resistente al
desgaste se produce sin embargo una elevada carga térmica. Esto da
lugar a que (también) el material de las levas se funda al menos
parcialmente, con lo cual llegan a producirse manifestaciones de
deformación del árbol hueco. La corrección posterior necesaria de la
deformación producida exige trabajos de repaso voluminosos. También
es posible que debido a la elevada carga térmica se vuelva a anular
por lo menos parcialmente la deseable consolidación en frío
producida durante el proceso de conformado por alta presión interior
(procedimiento IHU).
El empleo de alambres de relleno y chapas limita
además notablemente la gama de materiales disponibles para el
recubrimiento. En particular, el procedimiento descrito no es
adecuado para aplicar materiales no conductores tales como
materiales cerámicos. Tampoco es adecuado el procedimiento para la
obtención de estructuras definidas (que podrían resultar en el caso
de capas de materiales compuestos tales como ceramales (metales
duros)), si se emplean alambres de relleno.
Por lo tanto, el objetivo de la presente
invención es el de describir un procedimiento para la fabricación de
un dispositivo para convertir un movimiento rotativo en un
movimiento de traslación, así como un dispositivo fabricado conforme
a este procedimiento, mediante los cuales se pueda aplicar una capa
resistente al desgaste sin que se produzca una deformación térmica
importante.
Este objetivo se resuelve de acuerdo con la
invención, en cuanto a la técnica de procedimiento, mediante un
procedimiento para la fabricación de un dispositivo para la
transformación de un movimiento de rotación en un movimiento de
traslación, donde al menos por tramos se aplica por lo menos una
capa funcional de un material cerámico, ceramal o metálico, mediante
engrapamiento mecánico con una superficie del dispositivo.
El procedimiento objeto de la invención permite
aplicar una capa resistente al desgaste sobre el dispositivo para
transformar un movimiento de rotación en un movimiento de
traslación, sin que se produzca la distorsión térmica del
dispositivo. El procedimiento objeto de la invención permite además
reducir el peso y la fricción con relación al estado conocido de la
técnica, gracias al empleo de capas cerámicas, ceramales y metálicas
resistentes al desgaste.
Dado que en el procedimiento objeto de la
invención se pueden emplear materiales cerámicos o materiales
compuestos, se obtiene un potencial de mejora adicional en cuanto a
una nueva reducción de peso, una disminución de las pérdidas por
rozamiento, del desgaste y de los gastos de fabricación. La
reducción de peso y la disminución de las pérdidas por rozamiento da
lugar además a una disminución del consumo de carburante de los
motores correspondientes.
De acuerdo con un ejemplo de realización
preferido del procedimiento se fabrica (primeramente) un árbol hueco
que presente por lo menos un elemento elevador, mediante un
procedimiento de conformado por alta presión interior (procedimiento
"IHU"). Para ello es ventajoso que la por lo menos una capa
funcional se aplique en la zona de una superficie de rodadura del
por lo menos un elemento elevador y/o en la zona de las superficies
de apoyo del árbol hueco. También es ventajoso que las capas
funcionales aplicadas en la zona de la superficie de rodadura del
por lo menos un elemento elevador y/o en la zona de las superficies
de apoyo del árbol hueco, se realicen con materiales iguales o
diferentes y respectivamente en una o varias capas.
De acuerdo con otro ejemplo de realización
preferido, para la fabricación de la por lo menos una capa funcional
de un material cerámico, ceramal o metálico, se utiliza un
procedimiento del grupo de procesos de proyección térmica, en
particular proyección de plasma o proyección a la llama de alta
velocidad, efectuando el engrapamiento con la superficie del árbol
hueco.
Además resulta especialmente ventajoso si el por
lo menos un elemento elevador y/o las superficies de apoyo se
realizan con un rebaje periférico, que forma un alojamiento para la
capa funcional que se ha de aplicar.
También es ventajoso que la capa funcional esté
realizada como capa de protección contra el desgaste y/o como capa
para influir en el rozamiento.
Las superficies del dispositivo, en particular
un árbol de levas, se tratan preferentemente para dar rugosidad, en
particular mediante chorro de arena, al menos en la zona de la capa
funcional que se ha de aplicar (y antes de aplicar ésta).
El objetivo antes citado se resuelve de acuerdo
con la invención, desde el punto de vista técnico del dispositivo,
mediante un dispositivo para convertir un movimiento de rotación en
un movimiento de traslación, realizado conforme al presente
procedimiento.
De acuerdo con un ejemplo de realización
especialmente preferido del dispositivo objeto de la invención, el
dispositivo está realizado como un árbol de levas hueco fabricado
mediante conformado por alta presión interior (procedimiento IHU),
con por lo menos una leva, donde una superficie de rodadura de la
por lo menos una leva y/o de las superficies de apoyo del árbol de
levas presentan unas capas funcionales resistentes al desgaste,
cerámicas, ceramales o metálicas, que están unidas a ésta mediante
engrapamiento mecánico.
Ventajosamente se aplican, mediante proyección
térmica, capas cerámicas o capas ceramales o capas ceramales de
metal duro o capas metálicas.
También es ventajoso si las levas y/o las
superficies de apoyo presentan un rebaje periférico que sirve de
lecho para la capa funcional que se ha de aplicar.
La presente invención se describe a continuación
con mayor detalle sirviéndose de ejemplos de realización preferidos,
en combinación con el dibujo que se adjunta.
La figura 1 muestra una representación en
sección parcial a lo largo de un eje longitudinal de un árbol de
levas, en la zona de una leva.
En el árbol de levas 1, representado a título de
ejemplo en la figura 1, en una representación en sección
longitudinal, con una leva 2, se trata de un árbol de levas de
admisión 1 fabricado mediante conformado por alta presión interior
(procedimiento IHU) en material St 52, para un motor de tres
cilindros y cuatro válvulas. El árbol de levas completo tiene por lo
tanto 6 levas.
De las distintas levas 2 del árbol de levas de
admisión 1 se ha representado por motivos de simplificación
solamente una de ellas, en la representación en sección, mientras
que todas las levas 2 del árbol de levas de admisión 1 o algunas de
las levas o una de las levas 2 pueden estar dotadas de una capa
funcional 3 y estar realizadas en la forma representada en la figura
1 o descrita a continuación.
Igualmente se pueden dotar también de una capa
funcional 3 otras zonas del árbol de levas 1, no representadas en la
figura 1. En particular se pueden dotar de tal capa funcional 3 las
superficies de apoyo del árbol de levas 1.
Las distintas superficies funcionales 3 (en las
levas 2, o en otros puntos del árbol de levas 1, en particular en
las superficies de apoyo), pueden estar fabricadas de los mismos
materiales o de materiales de la misma clase o del mismo efecto o
también de diferentes materiales. La elección de los materiales
viene condicionada especialmente por la aplicación técnica concreta
(por ejemplo, protección contra el desgaste o mejora del rozamiento)
y también por las condiciones técnicas marginales.
Cada una de las levas 2 muestran en el ejemplo
de realización representado en la figura 1, un rebaje periférico,
donde este rebaje presenta esencialmente un rebaje de fondo plano y
dos zonas del borde elevadas dotadas de radios. La presente
invención sin embargo no se limita a la forma de rebaje representado
en la figura 1. Esta depende más bien de la aplicación, de la forma
de superficie funcional que se vaya a preparar, del respectivo
procedimiento de recubrimiento y del material respectivo de la capa
funcional. Por ejemplo, también se pueden prever varios rebajes
esencialmente de fondo plano con unas zonas del borde realzadas que
las limiten, y que estén dotadas de radios.
Este rebaje periférico sirve de lecho de
alojamiento para la capa funcional 3 que se vaya a aplicar. Tal como
está representado en la figura 1, el material de la capa funcional 3
rellena para ello totalmente el rebaje, estando realizada la capa
funcional a nivel de las zonas elevadas del borde del rebaje. De
esta forma se obtiene una superficie de rodadura lisa para la
leva.
En el caso de la aplicación representada en la
figura 1, ha resultado especialmente conveniente una profundidad de
rebaje de 1 mm. También ha resultado suficiente si la anchura del
rebaje se corresponde con la anchura del correspondiente rodillo de
balancín del motor, si bien la presente invención no está limitada a
esto.
El recubrimiento del árbol de levas de admisión
1 con la capa funcional 3 tiene lugar mediante la deposición de un
material resistente al desgaste cerámico, ceramal o metálico, con
engrapamiento mecánico, con una superficie del árbol de levas de
admisión 1 en la zona del rebaje y rellenando el rebaje con este
material. Este engrapamiento mecánico se puede mejorar
preferentemente por el hecho de que el árbol de levas se someta a un
tratamiento superficial preparatorio para darle rugosidad, por
ejemplo, mediante chorreado de arena, eventualmente sólo en la zona
de los rebajes. De este modo se aumenta la microsuperficie del árbol
de levas y por lo tanto la superficie adherente entre la superficie
del árbol de levas y la capa superior de desgaste duro aplicada y se
incrementa la resistencia de la unión entre la capa aplicada por
proyección y la superficie de la leva.
En el caso concreto de esta aplicación se
recubrió el árbol de levas de admisión 1 mediante proyección
atmosférica de plasma en una instalación
MF-P-1000 de la Firma GTV
mbH/Luckenbach. Como polvo de recubrimiento se utilizó un ceramal
(metal duro) (Ti, Mo)(C, N) – 37% Ni, Co. Para realizar la
proyección se empleó un plasma Ar/H_{2} (50 l/min Ar, 11 l/min
H_{2}), con una intensidad de corriente de 630 A. La distancia de
proyección fue de 110 mm.
Además de la proyección de plasma atmosférica
descrita, con los parámetros de ensayo citados a título de ejemplo,
pueden utilizarse otros procedimientos de recubrimiento en los que
la segregación de la capa esté basada al menos en lo esencial a un
engrapamiento mecánico de la capa sobre el sustrato y que provoquen
sólo un aporte de energía térmica reducido. Estos procedimientos de
recubrimiento se encuentran preferentemente en el grupo de procesos
de proyección térmica, es decir, en particular, además de la
proyección de plasma también la proyección a la llama de alta
velocidad (HVOF).
A continuación del proceso de recubrimiento, las
levas se rectifican a la dimensión final, con lo cual se obtiene la
superficie de rodadura de las levas 2.
A continuación se llevó a cabo un ensayo del
árbol de levas 1 producido de esta manera. Este ensayo se realizó
sobre un banco de pruebas especial con una presión superficial de
1400 N/mm^{2}, una velocidad de 3500 rpm, una temperatura del
aceite de 100ºC empleando aceite para motores Esso Ultron SAE
5W40.
Después de un tiempo de funcionamiento de 500
horas (tiempo usual de ensayo) no se observó ningún fallo de la capa
(lo que se llama formación de "Pitting").
En los ejemplos de realización antes descritos,
tiene lugar la fabricación de un árbol de levas (todavía sin
recubrir) mediante el procedimiento IHU. A continuación se produce
la segregación de la capa mediante procedimientos basados
esencialmente en un engrapamiento de la capa sobre el sustrato y que
provocan sólo un aporte de energía térmica reducido, preferentemente
de entre el grupo de procesos de proyección térmica (por ejemplo, de
plasma, proyección a la llama de alta velocidad (HVOF) y otros).
Los presentes ejemplos de realización presentan
un alto grado de flexibilidad gracias a los materiales más diversos,
donde éstos se pueden adaptar a los requisitos del árbol de levas en
los diferentes motores. En particular se pueden producir también de
forma sencilla y sin un gasto técnico importante capas de protección
contra el desgaste de hasta 1,5 mm de espesor, empleando los nuevos
materiales metálicos, cerámicos o ceramales.
Como ejemplos de tales materiales se pueden
citar:
- \bullet
- Aleación Mo y Mo autofluyente como capas metálicas,
- \bullet
- WC-Co, WC-CoCr, (Ti,Mo)(C,N)-NiCo como capas ceramales (de metal duro) o
- \bullet
- Al_{2}O_{3}-TiO_{2}, Cr_{2}O_{3}, Ti_{n-2}Cr_{2}O_{2n-1} como capas cerámicas.
En los ejemplos de realización anteriores no
llega a producirse ninguna deformación del árbol de levas, es decir,
que no es necesario enderezar posteriormente el árbol. Además
mediante el empleo de los nuevos materiales (capas de resistencia al
desgaste de hasta 1,5 mm de espesor, metálicas, cerámicas o
ceramales) se mejora la resistencia al desgaste y al mismo tiempo
también las condiciones de rozamiento sobre la leva. El empleo de
capas cerámicas da lugar además a una reducción de peso. Disminución
de los costes de fabricación y material en comparación con el empleo
de anillos de soporte, por ejemplo, de 100 Cr6.
Claims (9)
1. Procedimiento para la fabricación de
un árbol hueco (3), donde se fabrica por lo menos un elemento
elevador (2) mediante un procedimiento de conformado por alta
presión interior, con un rebaje periférico, donde el rebaje está
limitado por dos zonas del borde dotadas de radio y donde se aplica
por lo menos una capa funcional (3) de un material cerámico, ceramal
o metálico, rellenando el rebaje y engrapándolo mecánicamente con
una superficie del rebaje y a continuación se mecaniza el elemento
elevador en la zona de la capa funcional para formar una superficie
funcional.
2. Procedimiento según la reivindicación
1, caracterizado porque la por lo menos una capa funcional
(3) se aplica en la zona de una superficie de rodadura del por lo
menos un elemento elevador (2) y/o en la zona de las superficies de
apoyo del árbol hueco (1).
3. Procedimiento según la reivindicación
2, caracterizado porque las capas funcionales (3) aplicadas
en la zona de la superficie de rodadura del por lo menos un elemento
elevador (2) y/o en la zona de las superficies de apoyo del árbol
hueco (1) están realizadas en materiales iguales o diferentes y
respectivamente en una o varias capas.
4. Procedimiento según por lo menos una
de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por utilizarse
un procedimiento del grupo de procedimientos de proyección térmica,
en particular proyección de plasma o proyección a la llama de alta
velocidad para la preparación de por lo menos una capa funcional (3)
de un material cerámico, ceramal o metálico, con engrapamiento con
la superficie del dispositivo (1).
5. Procedimiento según por lo menos una
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la capa
funcional (3) está realizada como capa de protección contra el
desgaste y/o como capa para influir en el rozamiento.
6. Procedimiento según por lo menos una
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las
superficies del árbol hueco, en particular del árbol de levas, se
tratan para dejarlas rugosas, por lo menos en la zona de la capa
funcional y en particular se someten al chorro de arena.
7. Árbol de levas (1) con por lo menos
una leva (2) fabricado según un procedimiento conforme por lo menos
a una de las reivindicaciones 1 a 6, donde la superficie de rodadura
de la por lo menos una leva (2) y/o las superficies de apoyo del
árbol de levas (1) presentan capas funcionales (3) resistentes al
desgaste, cerámicas, ceramales o metálicas, que están unidas a
aquéllas mediante engrapamiento mecánico, donde las levas y/o las
superficies de apoyo presentan un rebaje periférico con una
depresión periférica esencialmente de fondo plano y dos zonas del
borde elevadas dotadas de radios, que sirven como lecho para la capa
funcional que se ha de aplicar.
8. Procedimiento según la reivindicación
7, caracterizado porque mediante proyección térmica se
aplican capas cerámicas o capas de ceramales o capas de metal duro
ceramales o capas metálicas.
9. Dispositivo según la reivindicación
8, caracterizado porque se aplican capas de metal duro
mediante proyección a la llama de alta velocidad.
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