ES2297008T3 - Procedimiento para unir componentes con arboles huecos, preferiblemente para la fabricacion de arboles de levas y arbol de levas fabricado segun el mismo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para unir componentes con árboles huecos, preferiblemente para la fabricación de árboles de levas, fabricándose en una primera etapa de procedimiento los componentes, especialmente anillos de levas, con su contorno condicionado por la función, utilizándose para ello un material que puede endurecerse que presenta tras el endurecimiento, aparte de su deformabilidad elástica, además una deformabilidad plástica permisible reducida, insertándose estos componentes de manera adecuada a la función en una herramienta de conformación por alta presión interna (IHU) junto con el árbol hueco que debe deformarse, y, en una segunda etapa de procedimiento, uniéndose los componentes con el árbol hueco en arrastre de fuerza y en arrastre de forma mediante un procedimiento IHU mediante el efecto de la presión interna, caracterizado porque el material que puede endurecerse presenta tras el endurecimiento una expansión residual permisible de > = 0, 5 %.
Description
Procedimiento para unir componentes con árboles
huecos, preferiblemente para la fabricación de árboles de levas y
árbol de levas fabricado según el mismo.
La invención se refiere a un procedimiento para
unir componentes, especialmente anillos de levas individuales, con
un árbol hueco a un árbol de levas, fabricado en el procedimiento de
conformación por alta presión interna (procedimiento IHU,
Innenhochdruck). La invención se refiere además a un árbol
hueco, en el que se fijan componentes, preferiblemente anillos de
levas, en arrastre de fuerza y en arrastre de forma. Un campo de
aplicación preferido es la fabricación de árboles de levas,
especialmente para motores de automóviles.
Es conocido fabricar árboles de levas según el
procedimiento IHU, insertándose en una herramienta IHU el árbol
hueco y, sobre el mismo, componentes, que son anillos de levas y
elementos de accionamiento, según su función. La presión interna
generada hace que el árbol se extienda y por consiguiente se unen
los componentes con el árbol en arrastre de fuerza y en arrastre de
forma (DE 199 09 184 A1; DE 199 32 810 A1). Los anillos de levas
así como otros componentes se fabrican en un procedimiento separado
y presentan las dimensiones y propiedades de material
correspondientes al empleo posterior, es decir resistencia al
desgaste. Se fijan del mismo modo también elementos de
accionamiento, como por ejemplo ruedas dentadas. Mediante el proceso
IHU el árbol se deforma primero de manera elástica, después de
manera plástica, y los componentes se fijan y se sujetan de este
modo de manera exacta. El documento JP 62-233562 da
a conocer un procedimiento similar y forma el tipo genérico con
respecto a los procedimientos según las reivindicaciones 1 a 3 y el
árbol de levas según la reivindicación 9.
Sin embargo, mediante la presión interna se
realiza también una deformación elástica del elemento que debe
sujetarse, por ejemplo del árbol de levas. La deformación elástica
del árbol de levas compensa las tolerancias de fabricación entre el
contorno exterior del anillo de levas y el contorno interior de la
forma de levas de la herramienta IHU.
Este procedimiento de adecuar las propiedades
del anillo de levas solamente a la función posterior, tiene la
desventaja de que la deformación permisible del anillo de levas
puede superarse y se produce una ruptura o un daño previo al
aparecer una grieta inicial que más adelante lleva a la ruptura al
emplear el árbol de levas. Esto ocurre por ejemplo en el caso de
que el anillo de levas haya sido tratado bajo calor de manera
defectuosa. Por lo tanto existe el peligro de que el daño no ocurra
hasta que el árbol de levas lleve ya mucho tiempo empleándose en el
motor. Esto puede ocurrir del mismo modo también en ruedas dentadas
aplicadas en el procedimiento IHU o en otros elementos de
accionamiento. Se ha observado también que el peligro de ruptura
elevado existe en los lugares del anillo de levas donde éste se
carga especialmente en el proceso IHU; se trata de la zona por
delante y por detrás de la punta de leva, especialmente en las
transiciones de radio y en la punta de leva.
La invención se basa en el objetivo de crear un
procedimiento que une en un árbol hueco, aplicando el procedimiento
IHU conocido, componentes, especialmente levas, en arrastre de
fuerza y en arrastre de forma de tal manera, que los anillos de
levas presentan una expansión residual permisible de > = 0,5% en
la medida en que se necesita para compensar el alargamiento del
anillo de levas y las tolerancias de fabricación en el anillo de
levas y/o la herramienta debido a la presión interna. En este
sentido debe evitarse que ocurra una ruptura o un daño previo que
podría influir negativamente en el empleo posterior, especialmente
en el funcionamiento continuo o de larga duración. El procedimiento
nuevo debe ser una combinación de procedimientos conocidos en sí
mismos que son económicos y que requieren un despliegue reducido de
aparatos. Otro objetivo de la invención es crear un árbol de levas
barato, que presenta una fiabilidad alta y que es apto para el
funcionamiento continuo en motores de automóviles. Debe fabricarse
de material de calidad habitual. Deben fabricarse árboles de levas
que apenas pueden causar daños secundarios en el motor.
Según la invención, el objetivo relativo al
procedimiento para unir componentes con un árbol hueco,
preferiblemente a un árbol de levas, se soluciona según las
reivindicaciones 1, 2 o 3. Configuraciones ventajosas del
procedimiento se describen en las reivindicaciones 4 a 8. El
objetivo relativo al árbol de levas se soluciona mediante las
características de la reivindicación 9; configuraciones adicionales
se describen en las reivindicaciones 10 a 19.
Según la invención se aplica el procedimiento
IHU conocido. En una primera etapa de procedimiento se fabrican los
componentes, especialmente los anillos de levas, que deben unirse
con el árbol en arrastre de fuerza y en arrastre de forma, en su
forma (contorno) condicionada por la función. Para ello se utiliza
un material que aún presenta una expansión residual permisible de
> = 0,5% tras el endurecimiento, es decir, debe presentar en
estado endurecido en el lado interior y exterior, a parte de su
deformabilidad elástica, además una deformabilidad plástica
permisible reducida. Lo más apto para ello son aceros poco aleados,
por ejemplo acero para resortes (58 CrMo V4) que presenta tanto una
expansión residual permisible tras el tratamiento bajo calor como
una resistencia al desgaste muy buena en el funcionamiento
continuo.
Estos anillos de levas prefabricados o también
otros componentes se insertan en la herramienta IHU de manera
adecuada a la función con el árbol hueco y en una segunda etapa de
procedimiento se ensancha este árbol hueco debido a la presión
axial generada en el árbol; en este sentido se unen los anillos de
levas y/u otros componentes con el árbol hueco en arrastre de
fuerza y en arrastre de forma.
En una segunda forma de realización de la
invención, los anillos de levas o componentes se someten, después
de la fabricación adecuada a la función, es decir la generación del
contorno exterior de la superficie de rodadura de la leva y del
contorno interior, a un endurecimiento de la capa superficial. De
esta manera, las zonas sometidas a esfuerzos de desgaste exteriores
se endurecen y se vuelven elásticamente deformable y, en el lado
del anillo de levas orientado al árbol, el contorno interior que se
ensancha debido a la presión interna se mantiene blando en cierta
medida, es decir plásticamente deformable. El endurecimiento en la
capa superficial se realiza con una expansión residual permisible
de > = 0,5%, por ejemplo mediante cementación, nitruración,
endurecimiento por inducción o mediante el efecto de un haz portador
de carga.
En otra forma de realización de la invención se
combinan los dos procedimientos mencionados, fabricación de los
anillos de levas de un acero que presenta las condiciones para
obtener la expansión residual necesaria en estado endurecido, con
el endurecimiento de los componentes o anillos de levas en conexión
con el procedimiento IHU. En este sentido se realizan las primeras
etapas de procedimiento correspondientes una tras otra, y después
la segunda etapa de procedimiento.
Otra forma de realización de la invención
consiste en que el anillo de levas está compuesto por dos
materiales, es decir se aplica a un anillo interior de un material
blando y plásticamente deformable, un anillo de un material rígido
y elástico con una expansión residual permisible de > = 0,5%.
Ambos anillos están unidos fijamente entre sí, lo que se realiza
por ejemplo mediante introducción a presión o embutido en caliente.
Por tanto, el anillo de levas consiste en cierto modo en dos zonas,
como se consigue en la forma de realización descrita anteriormente
mediante el endurecimiento en la capa superficial.
Además, esta solución puede realizarse en las
variantes siguientes, siendo el grosor del anillo de levas no
uniforme, es decir más grueso en la zona de la punta de la leva. De
este modo, el grosor puede obtenerse en la zona de la punta de la
leva porque el grosor del anillo interior es diferente, es decir es
más grueso en la zona de la punta de la leva, y el anillo exterior
presenta un grosor diferente, o porque el anillo interior tiene el
mismo grosor y el anillo exterior presenta un grosor diferente. El
anillo exterior es siempre rígido y resistente al desgaste.
También puede resultar ventajoso aplicar en
todas las formas de realización de la invención en un árbol hueco
un anillo simétrico redondo de un material blando, convenientemente
como el del árbol hueco o incluso más blando todavía, del mismo
grosor, y aplicar en éste el anillo de levas formado de manera
adecuada a la función en su contorno, de manera que en el proceso
IHU el anillo interior redondo se deforma junto con el árbol hueco
hasta que se haya obtenido el contorno interior del anillo exterior,
el anillo de levas. De este modo, mediante el proceso IHU se unen
en arrastre de fuerza y en arrastre de forma el árbol hueco, el
anillo redondo aplicado sobre el mismo y el anillo de levas que se
encuentra por encima del mismo. El anillo exterior consiste en un
material rígido, cuya expansión residual permisible es de > 0,5%,
a parte de su deformabilidad elástica debe presentar solamente una
deformabilidad plástica permisible reducida. Sin embargo, es posible
también endurecer en la capa superficial el anillo exterior.
Sorprendentemente se ha descubierto que los
defectos en el estado de la técnica pueden eliminarse porque los
anillos de levas fabricados o tratados según la invención presentan
la propiedad de que, debido a la presión interna máxima, que
aparece en el procedimiento IHU, los estados de tensión que se
forman en el anillo de levas son más reducidos que en el caso de
los anillos de levas completamente endurecidos conocidos o los que
consisten en un material que presenta continuamente esta dureza.
En la fabricación de los anillos de levas se
suprime el mecanismo de daño aún más mediante la selección
correspondiente de material incluyendo el endurecimiento y el
tratamiento bajo calor mediante endurecimiento en la capa
superficial, en el que se producen adicionalmente esfuerzos
residuales de presión en la capa endurecida; entonces los anillos
de levas o también otros componentes fabricados según el
procedimiento aguantan esfuerzos esencialmente más altos.
Es fundamental según la invención para todas las
formas de realización del procedimiento que el anillo de levas
presente en su grosor de material propiedades de material
diferentes. La capa superior, que es la sometida a esfuerzo
mecánicamente durante el funcionamiento, debe ser rígida y
elásticamente deformable y la capa situada por debajo de la misma
debe ser plástica y elásticamente deformable. Con esto se consigue
que, incluso en el caso de daños, no puedan aparecer grietas
continuas, sino solamente daños locales en casos excepcionales.
Estos desprendimientos nunca pueden llevar a la destrucción súbita
de un motor.
El árbol de levas fabricado según el
procedimiento según la invención, que consiste en un árbol hueco
ensanchado en el procedimiento IHU, en el que se aplican anillos de
levas y también otros componentes como ruedas dentadas o elementos
de acoplamiento o de accionamiento, está montado con los anillos de
levas y también otros componentes en arrastre de fuerza y en
arrastre de forma, consistiendo los anillos de levas en un material
que, tras un endurecimiento, presenta en el caso de una superficie
rígida y resistente al desgaste, aparte de la deformabilidad
elástica, además una ligera deformabilidad plástica permisible.
En una segunda forma de realización, la
superficie del anillo de levas está sometida a un endurecimiento en
la capa superficial. De este modo, la capa superior es elásticamente
deformable y la capa situada por debajo de la misma es
plásticamente deformable. Ambas formas de realización con respecto a
la fabricación del anillo de levas también pueden combinarse de
manera ventajosa para obtener propiedades de uso todavía
mejores.
Finalmente, otra forma de realización más
consiste en que la capa superior del anillo de levas rígida y
elásticamente deformable, que se genera según los procedimientos
mencionados en primer lugar, se obtiene porque está compuesto por
dos materiales, deformables de manera
rígida-elástica y blanda-plástica.
Esta unión de los dos anillos se realiza convenientemente antes de
la inserción en una prensa IHU.
Una configuración ventajosa del árbol de levas
consiste además en que el grosor de los anillos de levas es
diferente, siendo la zona de la punta de la leva más gruesa. La zona
del grosor de material tratada mediante endurecimiento en la capa
superficial se queda igual con respecto a su grosor en el perímetro
total del anillo de levas.
El procedimiento según la invención puede
utilizarse también para otras aplicaciones o para la fabricación de
otros productos, y concretamente siempre que deban fijarse en
arrastre de fuerza y en arrastre de forma, en un tubo de pared
delgada que no tiene que ser necesariamente redondo, componentes o
elementos mediante un procedimiento IHU.
En un ejemplo de aplicación se describe un árbol
de levas fabricado según la invención.
En el dibujo correspondiente muestran:
la figura 1, un corte transversal a través de un
árbol de levas en la zona de una leva con el mismo grosor de
pared,
la figura 2, un corte longitudinal a través de
un árbol de levas,
la figura 3, un corte transversal a través de un
árbol de levas en la zona de una leva de dos materiales y con un
grosor de pared diferente.
En las figuras 1 y 2 se fabrican en un
procedimiento mecánico conocido separado los anillos 1 de levas con
su contorno condicionado por la función. Como material se utiliza 58
CrMoV6. A continuación, los anillos 1 de levas se someten a un
endurecimiento en la capa superficial de manera conocida. Este
proceso de endurecimiento se controla de tal manera que, en una
profundidad T, se forma una capa 2 endurecida que es elásticamente
deformable y que aún permite una deformación plástica reducida. La
zona 3 que se encuentra por debajo de la capa 2 queda sin
endurecer, es decir, es deformable tanto plásticamente como
elásticamente. El anillo 1 de levas se aplica en arrastre de fuerza
y en arrastre de forma mediante el procedimiento IHU conocido en un
árbol 4 hueco. El árbol 4 hueco, originariamente un tubo con
simetría de rotación, consiste en un material que es plásticamente
deformable.
La zona en la que tras el procedimiento según el
estado de la técnica se produjeron defectos mediante la formación
de grietas, se indica con el número 5 y se elimina mediante el
procedimiento según la invención.
En la figura 3 los anillos 2 de levas consisten
en un anillo 6 interior aplicado directamente sobre el árbol 4
hueco, que consiste en un material blando plásticamente deformable.
En la zona de la punta 7 de la leva es esencialmente más grueso que
en el resto de su zona. Sobre este anillo 6 está aplicado un anillo
8 existente del mismo grosor, de un material rígido elásticamente
deformable. Su contorno exterior está configurado de manera
correspondiente a la función.
Los dos anillos 6 y 8 se unen entre sí en
arrastre de fuerza y de forma antes de la inserción en la
herramienta IHU, por ejemplo mediante embutido en caliente.
Claims (19)
1. Procedimiento para unir componentes con
árboles huecos, preferiblemente para la fabricación de árboles de
levas, fabricándose en una primera etapa de procedimiento los
componentes, especialmente anillos de levas, con su contorno
condicionado por la función, utilizándose para ello un material que
puede endurecerse que presenta tras el endurecimiento, aparte de su
deformabilidad elástica, además una deformabilidad plástica
permisible reducida, insertándose estos componentes de manera
adecuada a la función en una herramienta de conformación por alta
presión interna (IHU) junto con el árbol hueco que debe deformarse,
y, en una segunda etapa de procedimiento, uniéndose los componentes
con el árbol hueco en arrastre de fuerza y en arrastre de forma
mediante un procedimiento IHU mediante el efecto de la presión
interna, caracterizado porque el material que puede
endurecerse presenta tras el endurecimiento una expansión residual
permisible de > = 0,5%.
2. Procedimiento para unir componentes con
árboles huecos, preferiblemente para la fabricación de árboles de
levas, fabricándose en una primera etapa de procedimiento los
componentes, especialmente anillos de levas, con su contorno
condicionado por la función, sometiéndose a continuación la
superficie de los componentes, especialmente la superficie de
rodadura de las levas, a un endurecimiento en la capa superficial,
insertándose estos componentes de manera adecuada a la función en
una herramienta IHU junto con el árbol hueco que debe deformarse, y
en una segunda etapa de procedimiento uniéndose los componentes con
el árbol hueco en arrastre de fuerza y en arrastre de forma
mediante un procedimiento IHU mediante el efecto de la presión
interna, caracterizado porque, tras el endurecimiento en la
capa superficial, la superficie de los componentes presenta una
expansión residual permisible de > = 0,5%.
3. Procedimiento para unir componentes con
árboles huecos, preferiblemente para la fabricación de árboles de
levas, fabricándose en una primera etapa de procedimiento los
componentes, especialmente anillos de levas, a partir de dos
anillos individuales unidos entre sí en arrastre de fuerza y en
arrastre de forma de material diferente, siendo el del anillo
exterior rígido y elásticamente deformable, y el del anillo interior
blando y plásticamente deformable, y con su contorno condicionado
por la función, insertándose estos componentes de manera adecuada a
la función en una herramienta IHU junto con el árbol hueco que debe
deformarse, y en una segunda etapa de procedimiento uniéndose en
arrastre de fuerza y en arrastre de forma los componentes con el
árbol hueco mediante un procedimiento IHU mediante el efecto de la
presión interna, caracterizado porque el material del anillo
exterior presenta una expansión residual permisible de >
0,5%.
4. Procedimiento para unir componentes con un
árbol hueco según la reivindicación 1, caracterizado porque
la superficie de los componentes, especialmente la superficie de
rodadura de las levas, se somete a un endurecimiento en la capa
superficial, y porque a continuación se realiza la segunda etapa de
procedimiento.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 o 4, caracterizado porque el
endurecimiento en la capa superficial se realiza mediante
endurecimiento por inducción, cementación, nitruración o mediante el
efecto de un haz portador de carga.
6. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el anillo interior es más grueso en la
zona de la punta de la leva y porque el anillo exterior presenta el
mismo grosor.
7. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el anillo exterior es más grueso en la
zona de la punta de la leva y porque el anillo interior presenta el
mismo grosor.
8. Procedimiento según las reivindicaciones 3, 6
o 7, caracterizado porque el anillo interior y el anillo
exterior se unen entre sí mediante embutido en caliente o mediante
prensado.
9. Árbol de levas, fabricado según un
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, aplicándose
en un árbol (2) hueco componentes, especialmente anillos (1) de
levas, que se fabrican en un procedimiento separado de manera
condicionada con respecto al contorno, en arrastre de fuerza y en
arrastre de forma mediante un procedimiento IHU, presentando los
componentes, especialmente anillos (1) de levas, en su superficie
una zona de grosor definido que es rígida y elásticamente
deformable y ligeramente plásticamente deformable, y siendo la zona
situada por debajo plásticamente deformable, caracterizado
porque la zona de grosor presenta una expansión residual
permisible
de > = 0,5%.
de > = 0,5%.
10. Árbol de levas según la reivindicación 9,
caracterizado porque los anillos (1) de levas están
endurecidos tras la fabricación en su forma condicionada con
respecto a la función.
11. Árbol de levas según la reivindicación 9,
caracterizado porque los anillos (1) de levas están
sometidos, tras la fabricación en su forma condicionada con
respecto a la función, a un endurecimiento en la capa
superficial.
12. Árbol de levas según la reivindicación 9,
caracterizado porque los anillos (1) de levas consisten en
dos anillos (6; 8) unidos entre sí en arrastre de fuerza y en
arrastre de forma.
13. Árbol de levas según la reivindicación 12,
caracterizado porque los anillos (6; 8) consisten en
materiales diferentes, consistiendo el anillo (6) interior de un
material blando plásticamente deformable y el anillo (8) exterior
de un material rígido elástico.
14. Árbol de levas según las reivindicaciones 12
y 13, caracterizado porque el anillo (6) interior es más
grueso en la zona de la punta (7) de la leva, y porque el anillo (8)
exterior es igual con respecto a su grosor.
15. Árbol de levas según las reivindicaciones 12
y 13, caracterizado porque el anillo (8) exterior es más
grueso en la zona de la punta (7) de la leva y porque el anillo (6)
interior es igual con respecto a su grosor.
16. Árbol de levas según las reivindicaciones 9
a 11, caracterizado porque los anillos (1) de levas son
diferentes con respecto a su grosor de pared, siendo más gruesa la
zona de la punta (7) de la leva.
17. Árbol de levas según al menos una de las
reivindicaciones 13 y 14, caracterizado porque el anillo (6)
interior es solamente un segmento que llena el volumen entre el
anillo (8) y el árbol (4) hueco en la zona de la punta (7) de la
leva.
18. Árbol de levas según al menos una de las
reivindicaciones 9 a 17, caracterizado porque en el árbol (4)
hueco en la zona de un anillo (1) de leva está aplicado un anillo
del mismo grosor de un material blando que es igual de blando o más
blando que el del árbol (4) hueco, y porque sobre este anillo está
aplicado el anillo (1) de levas que consiste en un material cuya
superficie está sometida a un endurecimiento en la capa marginal o
en un material rígido elástico, o en dos anillos (6; 8) de un
material diferente que están unidos entre sí.
19. Árbol de levas según la reivindicación 9,
caracterizado porque otros elementos son ruedas dentadas,
ruedas de cadena o elementos funcionales de transmisión de fuerza
similares, que desde la circunferencia de fondo hacia el interior
tienen la capa elásticamente deformable en un grosor definido.
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