ES2378478T3

ES2378478T3 - Biela.

Info

Publication number: ES2378478T3
Application number: ES07116079T
Authority: ES
Inventors: Lutz Wehrmann; Andreas Hecker; Andreas Güll; Stephen Schott; Werner Menk
Original assignee: FISCHER GEORG & CO KG GmbH; Georg Fischer GmbH
Current assignee: FISCHER GEORG & CO KG GmbH; Georg Fischer GmbH
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: EP2037088A1; ATE536467T1; EP2037088B1; PL2037088T3; PT2037088E

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.

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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.

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TABLA 1

1

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.

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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

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.