ES2378478T3 - Biela. - Google Patents
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Abstract
Biela (1) para motores de combustión comprendiendo un primer ojo de biela (3) más pequeño para la unión de la biela (1) con el bulón de pistón, un segundo ojo de biela (4) mas grande para la unión de la biela (1) con el eje cigüeñal, una barra de biela (2) con un eje longitudinal (A) para la unión sólida del primer ojo de biela (3) mas pequeño con el segundo ojo de biela (4) mas grande y un taladro (5) para la alimentación del medio lubricante desde el eje cigüeñal al bulón de pistón o a la inversa, en donde el taladro (5) está construido simétrico respecto del eje longitudinal (A), caracterizado porque el taladro (5) está construido en un tubo de acero (5) envuelto en colada con hierro fundido (8) y porque el taladro (5) presenta un diámetro de menos de 5 mm.
Description
Biela.
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El invento se refiere a una biela para motores
de combustión comprendiendo un primer ojo de biela más pequeño para
la unión de la biela con el bulón de pistón, un segundo ojo de biela
más grande para la unión de la biela con el eje cigüeñal, una barra
de biela con un eje longitudinal para la unión sólida del primer ojo
de biela más pequeño con el segundo ojo de biela más grande y un
taladro para la alimentación del medio lubricante desde el eje
cigüeñal al bulón de pistón o a la inversa, en donde el taladro está
construido simétrico respecto del eje longitudinal.
En la fabricación de vehículos se utilizan
bielas para transmitir el movimiento de avance del pistón al
movimiento de giro del eje cigüeñal. Para reducir el rozamiento en
las superficies de contacto entre las superficies de la biela, del
pistón y del eje cigüeñal que se mueven unas respecto de las otras
se utiliza un medio lubricante. Además con el medio lubricante
también se extrae calor. El medio lubricante debe ser impulsado con
pleno rendimiento a las superficies de contacto y a las superficies
que hay que enfriar. También debe estar garantizada una buena
lubricación inmediatamente después del arranque del motor.
Superficies de contacto mal o no lubricadas giran en caliente,
ocasionan ruido y un desgaste excesivo.
Para impulsar el medio lubricante en cantidad
suficiente a las superficies en contacto se conocen dispositivos de
inyección de aceite o aceleradores de aceite. También se conocen
taladros a lo largo del eje longitudinal de la barra de biela. Sin
embargo la fabricación de estos taladros relativamente largos con
diámetro relativamente pequeño, en donde la relación
longitud/diámetro es mayor de 30, es muy cara. Por ello la mayor
parte de estos taladros presentan un diámetro demasiado grande, lo
cual lleva a que por un lado la barra de biela esté debilitada
innecesariamente y por otro lado la velocidad de circulación del
medio lubricante en el taladro sea menor que lo deseado. Además, en
el caso de una sección transversal del canal de aceite
sobredimensionada la columna de aceite en el canal puede entrar en
oscilación lo que puede llevar a que el transporte de aceite se
rompa.
Por el documento US 1 628 652 se conoce una
construcción de pistón para motores de combustión de gran volumen.
La construcción presenta en el interior del pistón aletas metálicas
capaces de conducir el calor, para poder derivar rápidamente el
calor de la cabeza del pistón a la pared del pistón. Adicionalmente
para extraer el calor se envía aceite como medio de refrigeración y
lubricación desde el eje cigüeñal al bulón de pistón. Para ello hay
situada una conducción, aquí no descrita con mas detalle,
discurriendo a través de la barra de biela, correspondiendo con el
preámbulo de la reivindicación 1.
Por el documento US 3 482 467 se conoce además
una biela con un ojo de pistón mas grande partido para motores de
pistón de alta velocidad. En las barras de biela huecas hay situado
un tubo de aceite no descrito con mas detalle, que posteriormente es
utilizado a lo largo del eje longitudinal de la barra de biela. Para
mejorar la extracción de calor la barra de biela hueca está rellena
con sodio.
Por el documento DE 10 2004 048 939 se conoce
una barra de biela con un tubo para el medio de lubricación. El tubo
esta colocado unido por una cara exterior con la barra de biela para
impulsar el medio lubricante desde el ojo de biela inferior más
grande al ojo de biela superior más pequeño, es decir, desde el
cárter del eje cigüeñal al pistón. El tubo tiene un diámetro
interior de aproximadamente 3 mm, está fabricado de poliamida y es
fijado a la barra de biela por el exterior aproximadamente a media
altura por tiras soldadas por puntos.
Partiendo de este estado de la técnica es misión
del invento presentar una biela que sea lo más fácil de fabricar
posible, que presente una barra de biela lo más ligera posible y sea
simétrica por todas partes, en donde las relaciones de circulación
para el medio lubricante sean optimas.
Esta misión será resuelta por una biela para
motores de combustión comprendiendo un primer ojo de biela más
pequeño para la unión de la biela con el bulón de pistón, un segundo
ojo de biela más grande para la unión de la biela con el eje
cigüeñal, una barra de biela con un eje longitudinal para la unión
sólida del primer ojo de biela más pequeño con el segundo ojo de
biela más grande y un taladro para la alimentación del medio
lubricante desde el eje cigüeñal al bulón de pistón o a la inversa,
en donde el taladro está construido simétrico respecto del eje
longitudinal y en donde el taladro está construido en un tubo de
acero rodeado por fundición de hierro y porque el taladro (5)
presenta un diámetro menor de 5 mm.
Desarrollos preferidos del invento se desprenden
de las reivindicaciones dependientes.
Es una ventaja si el taladro puede ser fabricado
lo más sencillo posible, es decir, sin un costoso trabajo de
taladrado con máquinas especiales de taladrar. Esto será conseguido
porque el taladro está fabricado en un tubo de acero rodeado de
fundición de hierro. Esto será conseguido también porque antes del
proceso de fundición el tubo de acero está construido con ambos
extremos cerrados. Esto será conseguido también además porque el
tubo de acero está construido en línea recta como mínimo en las
zonas rectas de la barra de biela. En la zona de ambos ojos de biela
el tubo de acero puede estar situado también bajo un ángulo respecto
del eje de la barra de biela.
Además es una ventaja el que el tubo de acero
forma una unión perfecta con el metal que la rodea. Esto se consigue
por un ajuste del espesor de pared del tubo de acero sobre el
espesor de pared de la fundición de hierro que rodea al tubo de
acero.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Sobre la base de las figuras se describirá un
ejemplo constructivo del invento. Se muestra:
Fig. 1 una vista sobre una biela acorde con el
invento y
Fig. 2 una vista desplazada lateralmente
alrededor de 90º sobre la biela parcialmente seccionada de la figura
1.
En las figuras 1 y 2 está representada
esquemáticamente una biela 1. La biela 1 se compone de una barra de
biela 2 con un primer ojo de biela 3 superior más pequeño y un
segundo ojo de biela 4 inferior más grande. La biela 1 sirve como un
miembro de unión entre un pistón y el eje cigüeñal en un motor de
combustión, que aquí no esta representado. Sin embargo bielas 1
similares se utilizan también en bombas de pistón y compresores de
pistón. El ojo de biela 3 superior más pequeño está unido con un
bulón en el interior del pistón. Según el proceso de fundición el
ojo de biela 4 inferior más grande está dividido en dos partes a lo
largo de la línea central del ojo 4, se monta sobre el eje cigüeñal
y se juntan de nuevo mediante tornillos.
A lo largo del eje longitudinal de la biela 1
hay representado un tubo 5. El tubo 5 es un tubo de acero 5 cerrado
por ambos extremos. Antes del proceso de colada el tubo de acero 5
es introducido en el molde de colada y rodeado con la colada de la
biela 1. El tubo de acero 5 que va a ser metido en la colada está
lleno con aire, es decir, introducido y rodeado por la colada sin
ningún relleno especial. En lugar del aire también se puede rellenar
con un gas de poder calorífico mas alto que el aire, por ejemplo
nitrógeno. Un relleno con aire o gas tiene respecto del relleno con
partículas sólidas la ventaja de que durante el proceso de colada
ningún material permanece atrapado en el interior del tubo de acero
5 y tapona el paso libre.
Después del proceso de colada no hay que retirar
del tubo de acero 5 ningún material extraño Los extremos cerrados 6,
7 superior e inferior del tubo de acero 5 sobresalen, como se puede
apreciar en las figuras 1 y 2 por las aberturas de los ojos de biela
3, 4. Las zonas 6, 7 cerradas que sobresalen son cortadas después
del proceso de colada. Con ello queda asegurado que el tubo de acero
5 colado en el interior de la barra de biela 2 está abierto a lo
largo de toda su longitud útil y esta libre para la circulación de
aceite.
Al colar envolviendo el tubo de acero 5 con el
hierro fundido 8 de la biela 1 hay que asegurarse de que por un lado
el tubo de acero no se funda, de que ya no exista el paso libre, y
por otro lado de que la colada se cierre formando en lo posible una
unión por cierre de forma con la superficie exterior del tubo de
acero. Por ello las relaciones de los espesores de pared del tubo de
acero 5 y el espesor de pared del material 8 de la barra de biela 2
que hay que rodear con la colada, se determinan como sigue:
Espesor de
pared del tubo en mm = a. X + b.
Y
En donde a y b son constantes calculadas
empíricamente que dependen del material de la colada, de la
temperatura de colada y de la geometría de los componentes, en donde
x es la cantidad de material que hay que fundir en Kg, la cual fluye
a lo largo del tubo de acero 5, y en donde Y es el módulo local en
cm de la pieza que se va a fundir en la zona del material del tubo
de acero 5 rodeado por la colada. La cantidad a colar X que fluye a
lo largo del tubo de acero 5 está en el rango de 0,1 a 5 Kg. El
módulo de la biela, es decir, la relación volumen a superficie
exterior esta para ello en el rango de 0,2-1,5
cm^{3}/cm^{2}.
En la tabla 1 están representados en forma de
resultados los espesores de pared del tubo de acero 5 obtenidos en
mm con diferentes valores de las constantes a y b.
\vskip1.000000\baselineskip
El espesor de pared del tubo de acero 5 es 0,41
a 8,75, preferentemente 1,9 a 6 mm. Será posible fabricar taladros
con un diámetro interior de menos de 2 mm sobre una longitud de la
barra de biela de mas de 100 mm, lo que produce una relación final
longitudes/diámetro de cómo mínimo 50.
\newpage
El tubo de acero 5 que va a ser introducido en
la colada puede ser fabricado de un acero de construcción sin
recubrir. La cara exterior del tubo de acero 5 puede ser recubierta
antes de su inserción. El recubrimiento puede ser una capa metálica
o no metálica. El recubrimiento puede ser fabricado por una
deposición química, por ejemplo mediante una fosfatación.
Como material de la colada puede ser un hierro
de fundición con grafito nodular con una alta dureza superficial,
por ejemplo la aleación llamada Sibodur con la composición
2,5-3,8% en peso de C, 2,4-3,4% en
peso de Si, 0,02-0,06% en peso de Mg,
0,002-0,02% en peso de Al,
0,0002-0,002% en peso de B, 0,1-0,5%
en peso de Cu y 0,1-1% en peso de Mn, el resto
Fe.
En la zona de los ojos de biela 3, 4 el tubo de
acero 5 puede estar situado formando un ángulo con la dirección del
eje A de la barra de biela 2. Con esto se consigue que, por ejemplo,
en la zona del ojo de biela 3 superior mas pequeño la pared interior
del pistón pueda ser enfriada mejor. También puede pensarse en
insertar en las zonas de los ojos de biela 3, 4, en lugar de un tubo
de acero 5 pasante, un tubo de acero 5 dividido con varias
salidas.
La técnica de colar envolviendo un tubo de acero
5 con fundición de hierro 8 puede ser utilizada también en otros
campos de aplicación en la fabricación de automóviles, por ejemplo
en la fabricación de una regleta de inyección, o en general en la
fabricación de máquinas. En lugar del tubo de acero 5 también se
puede envolver con colada un tubo de un material cerámico o de
vidrio.
Claims (9)
1. Biela (1) para motores de combustión
comprendiendo un primer ojo de biela (3) más pequeño para la unión
de la biela (1) con el bulón de pistón, un segundo ojo de biela (4)
mas grande para la unión de la biela (1) con el eje cigüeñal, una
barra de biela (2) con un eje longitudinal (A) para la unión sólida
del primer ojo de biela (3) mas pequeño con el segundo ojo de biela
(4) mas grande y un taladro (5) para la alimentación del medio
lubricante desde el eje cigüeñal al bulón de pistón o a la inversa,
en donde el taladro (5) está construido simétrico respecto del eje
longitudinal (A), caracterizado porque el taladro (5) está
construido en un tubo de acero (5) envuelto en colada con hierro
fundido (8) y porque el taladro (5) presenta un diámetro de menos de
5 mm.
2. Biela (1) según la reivindicación 1,
caracterizada porque el tubo de acero (5) presenta un espesor
de pared en mm = a. X + b. Y, en donde a y b son constantes
calculadas empíricamente que dependen del material de colada, la
temperatura de colada y la geometría del componente, donde X es la
cantidad colada en Kg, la cual fluye a lo largo del tubo de acero
(5), y donde Y es el módulo en cm de la pieza colada en la zona del
tubo de acero (5) rodeado de colada.
3. Biela (1) según una de las reivindicaciones 1
y 2, caracterizada porque antes del proceso de colada el tubo
de acero (5) está construido cerrado por ambos extremos (6, 7).
4. Biela (1) según como mínimo una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el tubo de acero
(5) como mínimo en la zona de la barra de biela (2) está construido
en recto.
5. Biela (1) según como mínimo una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el tubo de acero
(5) presenta un espesor de pared de 0,4 a 8,75 mm, preferentemente
un espesor de pared de 1,9 a 6 mm.
6. Biela (1) según como mínimo una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque como material de
la colada se emplea una aleación de fundición de hierro con grafito
nodular con una alta dureza superficial, por ejemplo una aleación
con la composición 2,5-3,8% en peso de C,
2,4-3,4% en peso de Si, 0,02-0,06%
en peso de Mg, 0,002-0,02% en peso de Al,
0,0002-0,002% en peso de B, 0,1-0,5%
en peso de Cu y 0,1-1% en peso de Mn, el resto
Fe.
7. Biela (1) según como mínimo una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el tubo de acero
(5) está fabricado de un acero de construcción sin recubrir.
8. Biela (1) según como mínimo una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la cara exterior
del tubo de acero (5) presenta un recubrimiento metálico o no
metálico.
9. Biela (1) según la reivindicación 8,
caracterizada porque el recubrimiento esta fabricado por una
deposición química, por ejemplo por una fosfatación.
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