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19   OFICINA ESPAÑOLA DEPATENTES Y MARCAS

ESPAÑA

11 Número de publicación:  2 233 35751 Int. Cl.7: B21D 53/84

12   TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA T3

86 Número de solicitud europea: 00918679 .286 Fecha de presentación: 23.02.2000

87 Número de publicación de la solicitud:  110783987 Fecha de publicación de la solicitud: 20.06.2001

54 Título: Procedimiento para fabricar un árbol de levas y árbol de levas fabricado posteriormente.

30 Prioridad: 03.03.1999 DE 199 09 18409.07.1999 DE 199 32 81009.02.2000 DE 100 05 690

45 Fecha de publicación de la mención BOPI:16.06.2005

45 Fecha de la publicación del folleto de la patente:16.06.2005

73 Titular/es: SE Sächsische Elektronenstrahl GmbHOtto-Schmerbach-Strasse, 21A09117 Chemnitz, DE

72 Inventor/es: Furchheim, Bodo yLe Thien, Hoang

74 Agente: Carvajal y Urquijo, Isabel

Aviso:   En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de

la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europeade Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo seconsiderará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 delConvenio sobre concesión de Patentes Europeas).

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Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCIÓN

Procedimiento para fabricar un árbol de levas y ár-bol de levas fabricado posteriormente.

La invención se refiere a un procedimiento para

fabricar árboles de levas y a un árbol de levas fabrica-do según este procedimiento. Preferiblemente, se tra-ta de árboles de levas para motores para automóviles,no obstante, el procedimiento también es apropiadopara fabricar productos similares, tal como, por ejem-plo, discos de levas dispuestos en un árbol. Son ele-mentos que transforman un movimiento de rotaciónen un movimiento de elevación, ya que los elementoselevadores discurren en discos rotatorios con distintacurvatura y se desplazan en contra de la dirección degiro.

Se conocen árboles de levas que están fabricadosde una pieza, es decir, forjados o fundidos. Las super-ficies de deslizamiento de las levas que sufren el des-gaste están refundidas mediante haces de láser, haces

electrónicos o TIG (tungsteno bajo gas inerte) segúnun tratamiento mecánico por arranque de virutas o,por ejemplo, endurecidas inductivamente o según unproceso térmico / químico. A continuación, se reali-za el tratamiento mecánico adicional, por ejemplo, elrectificado del soporte y de las formas de las levas. Es-tos árboles de levas tienen la desventaja de que su pe-so y la masa que va a moverse con ello es muy grande.La gran masa del árbol de levas repercute desventajo-samente en el consumo de combustible. Otra desven-taja es el gran esfuerzo mecánico al procesar la piezaen bruto.

Además, se conoce el fabricar árboles de levas apartir de piezas individuales. Las levas individualesse llevan al árbol y, preferiblemente, se unen con éstemediante soldadura, se montan a presión o en calien-te. Con ello, se elimina de una vez el defecto del granpeso de los discos de levas macizos, dado que el árbolpuede ser un árbol hueco, sin embargo, el esfuerzo defabricación es aún muy alto.

En otra forma de realización del procedimiento,también se conoce el sujetar las levas individuales enel árbol de levas de tal manera que el árbol hueco seensancha mediante la acción de la presión después dedeslizar las levas. Como medios de presión se em-plean preferiblemente fluidos. La presión se generamediante émbolos o pistones (DE 34 09 541; 35 21206; US 4 660 269; 5 259 268). Sin embargo, esteprocedimiento tiene la desventaja de que la fabrica-

ción de las piezas individuales, especialmente el en-samblaje, es tecnológicamente complicado y limita elcontorno interior de las levas.

Además, se conoce el fabricar árboles de levas demanera que un cuerpo hueco oblongo, es decir, un ár-bol hueco, genera de forma individual, una tras otrao simultáneamente conformaciones que actúan comolevas (DE-A-196 17 593) mediante un procedimien-to de remodelado de alta presión interna (denominadoprocedimiento RAPI).

De forma correspondiente, las herramientas dedos piezas o de cuatro piezas garantizan, mediante elenganche del árbol hueco en la dirección axial, quelas levas se originen de forma definida en su posi-ción y se realice una conformación de una pieza (WO97/46341).

Sin embargo, el árbol de levas fabricado según es-te procedimiento adolece del defecto de que los costesde fabricación son más reducidos en comparación con

los árboles de levas forjados o ensamblados, pero laresistencia al desgaste de la superficie de las levas esinsuficiente. No es posible practicar el procedimientode remodelación de alta presión interna con un mate-rial que garantiza la resistencia al desgaste. Además,

no es posible generar una superficie de deslizamientoplana de las levas con una separación reducida de laslevas en el árbol, tal como se requiere generalmenteen motores de automóviles, dado que, en los puntosde mayor grado de remodelado, el material se debi-lita forzosamente, lo que influye negativamente en laresistencia.

Si para el árbol hueco se utiliza un material quecontribuye a reducir estos defectos, entonces éste per-mite una buena remodelación, pero la dureza o la re-sistencia al desgaste no pueden conseguirse propia-mente mediante un proceso de endurecimiento pos-terior. Sin embargo, la dureza y la resistencia al des-gaste de las levas son un requisito básico para una vi-da útil larga de los árboles de levas en el motor de

automóviles. También es muy difícil, en caso de quesea posible, conseguir el grosor de material necesarioen todo el área del árbol de levas, es decir, el pro-pio árbol y, especialmente, los flancos y puntas de laleva.

Además, se conoce el fabricar secciones de tuboque forman la vía de levas con un perfilado excéntricoy reforzarlos utilizando una unión por ajuste prensa-do. La fabricación de la leva se realiza mediante unremodelado explosivo de un tubo. Las levas indivi-duales se sujetan en el árbol de levas desplazadas en-tre sí de forma correspondiente (DD 243 223). Estosárboles de levas fabricados actualmente requieren ungran esfuerzo de fabricación y tienen un gran peso. Elproceso de remodelado plástico no puede controlarseen función del tiempo.

La invención se basa en el objetivo de crear unprocedimiento para fabricar árboles de levas con elcual, utilizando el procedimiento conocido de remo-delación de alta presión interna, pueden fabricarse ár-boles de levas que son resistentes, presentan una re-ducida deformación permanente, poseen una alta re-sistencia a la torsión y poseen una gran rigidez a laflexión en las superficies de carga en los flancos ypuntas de las levas. El procedimiento de fabricacióndebe ser sencillo. Debe suprimirse una aplicación deuna capa adicional, es decir, una capa protectora con-tra el desgaste, en una etapa adicional del proceso, así como los costosos tratamientos mecánicos posterio-

res. El empleo de materiales debe ser reducido. Debereducirse el número de piezas individuales necesariaspara todo el árbol de levas en comparación con losprocedimientos de fabricación conocidos para los ár-boles de levas.

Según la invención, el objetivo se consigue segúnlas características de las reivindicaciones 1 y 8. Lasconfiguraciones ventajosas están descritas en las rei-vindicaciones 2 a 7 y 9 a 17.

La esencia de la invención consiste en que en unprocedimiento separado se fabrican anillos de soportecorrespondientemente duros y resistentes al desgastecon grosores de pared reducidos y la forma definitivade la leva, estos anillos de soporte se colocan median-te remodelación de alta presión interna (denominadaRAPI) en una herramienta RAPI y, mediante la herra-mienta RAPI y las fuerzas axiales introducidas en eltubo en conexión con las fuerzas internas generadasmediante un medio de presión, se realiza una remo-

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delación del tubo en una o dos etapas para formar elárbol de levas.

Al finalizar el proceso de remodelación, se efectúala unión de la leva en arrastre de fuerza y forma con elanillo de soporte. En los extremos del árbol de levas

están dispuestos elementos de apoyo, conocidos en sí mismos, que se sujetan de forma conocida.En otra configuración ventajosa del procedimien-

to, en una etapa del procedimiento que se anteponeal procedimiento mencionado anteriormente, se de-forma un tubo, hecho de un material que cumple losrequisitos mecánicos y las propiedades necesarias pa-ra la deformación, mediante el modelado conocido,también denominado “reducción rotatoria”, o el recal-cado, de manera que se remodela de forma dúctil todoo parte del tubo, o sólo los extremos del árbol de levas,es decir, por ejemplo, se estiran y / o se engrosar. Enlos extremos se crean elementos de moldeo para loselementos de accionamiento y control, por ejemplo,el asiento para las ruedas dentadas. En las siguientes

etapas del procedimiento mencionadas anteriormente,mediante el procedimiento RAPI se ensancha el tuboen el área en el que están dispuestas las levas, de mo-do que anteriormente se introducen en la herramientaRAPI los anillos de soporte de forma correspondientea las posiciones de las levas.

En las levas que se desarrollan de forma muy pun-tiaguda, cuando los anillos de soporte tienen un mis-mo grosor de pared, aparece la desventaja de que eltubo está sujeto a un alto grado de remodelación y, endeterminadas circunstancias, es necesario un procesode remodelación de varias etapas. Con ello, aumentanlos costes de fabricación al tiempo que desciende laproductividad. Además, fuera del árbol de levas, en laculata, existen contornos perturbadores entre o junto alas levas. Éstas limitan el espacio estructural disponi-ble y se dificulta el proceso RAPI. Esta limitación seelimina, en caso de que sea posible, sólo mediante uncomplicado proceso RAPI de varias etapas. Esto re-quiere a su vez altos costes de fabricación. Por tanto,una configuración ventajosa del procedimiento o delárbol fabricado acorde con él consiste en que los ani-llos de soporte, que se fabrican en un procedimientoseparado, se corresponden por fuera con el contornolimitado funcionalmente y, en el interior, presentan undiámetro algo mayor que el del tubo. El espesor de pa-red del anillo de soporte no es uniformemente grueso,sino que en el área de la punta de las levas presenta ungrosor mayor. Esto significa que el anillo de soporte

tiene un grosor variable como las levas y el contornointerior no es ningún círculo.El procedimiento según la invención consiste fun-

damentalmente en que dos o varios modernos proce-dimientos de fabricación conocidos se combinan en-tre sí.

Es ventajoso aplicar como mínimo una acanaladu-ra de forma radial en el anillo de soporte para evitarel desplazamiento lateral del anillo de soporte, relle-nándose esta acanaladura con material del árbol bajola acción de la presión.

Otra configuración ventajosa del procedimientoconsiste en que se sujetan elementos de accionamien-to y / o control en el árbol también mediante el proce-dimiento RAPI. Asimismo, pueden generarse super-ficies de apoyo mediante el ensanchamiento del tubomediante el procedimiento RAPI. Es ventajoso en es-pecial el endurecimiento por deformación en frío delmaterial del tubo que se origina a consecuencia del

proceso de deformación dúctil.El árbol de levas fabricado de acuerdo con el pro-

cedimiento según la invención tiene un peso muy lige-ro debido a las levas huecas y a los anillos de soportede pared muy fina y tiene una gran rigidez. Existe la

ventaja de que los anillos de soporte no deben ser me-canizados posteriormente o sólo un poco. Su durezaya viene dada de forma correspondiente a los requi-sitos, lo que ahorra temples posteriores de lo contra-rio habituales, por ejemplo, el temple por inducción otemple por refundición en un proceso de vacío.

Gracias a la configuración adicional del procedi-miento, aparece otra ventaja adicional, ya que, a di-ferencia de todos los procesos de fabricación conoci-dos, la reducción rotatoria o el recalcado, junto conel procedimiento RAPI, requiere un esfuerzo de fa-bricación muy pequeño y, por tanto, también costesreducidos. Estos disminuyen sobre todo porque el nú-mero de piezas individuales independientes a fabri-car y, a continuación, a ensamblar es muy reducido.

Gracias a la fabricación según la invención se supri-men fuentes de errores que podría aparecer medianteel ensamblado de piezas finales que se realizaba has-ta el momento. Una ventaja fundamental del procedi-miento consiste también en que, gracias al proceso demodelación, pueden fabricarse elementos funcionalesque requieren un mecanizado posterior muy reduci-do en su geometría, precisión dimensional y calidadsuperficial. A menudo, sólo es necesario un procesoabrasivo para alcanzar el estado acabado.

El árbol de levas fabricado de acuerdo con el pro-cedimiento según la invención se compone de un nú-mero reducido de piezas individuales. Al finalizar elproceso de remodelación, los anillos de soporte estánunidos con el árbol en arrastre de fuerza y de forma.

También es ventajoso dotar de biseles al anillo desoporte por uno o por los dos lados en el lado dirigidoal tubo. De esta forma, también se evita el desplaza-miento lateral en el árbol.

Una realización ventajosa de los anillos de soporteconsiste en que el anillo de soporte, en contraposiciónal estado de la técnica, está hecho de materiales sin-téticos o de materiales sinterizados. Estos materialesofrecen la ventaja de una fabricación sencilla con ba-

 jos costes de fabricación.Pueden utilizarse además materiales cerámicos.

Estos tienen la ventaja de producir, con las máximasresistencias al desgaste y el peso mínimo, los árbolesde levas más ligeros.

Otra configuración ventajosa del árbol de levasconsiste en que el tubo está hecho de aluminio o ti-tanio. De esta forma, el árbol de levas es muy ligero.

La invención se describe en dos ejemplos de rea-lización. Los dibujos correspondientes muestran en

la figura 1: un corte longitudinal a través de un ár-bol de levas acabado,

la figura 2: un corte transversal a través de una levaen el árbol,

la figura 3: un detalle en corte transversal a travésde una leva en el árbol,

la figura 4: un árbol de levas con extremos defor-mados mediante reducción rotatoria / recalcado,

la figura 5: un árbol de levas con anillos de soportede grosor variable en corte.

Las figuras 1 a 3 muestran la fabricación de unárbol de levas según el procedimiento RAPI.

En un tubo 1 de pared fina hecho de un materialque puede deformarse fácilmente se fabrica el árbol

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de levas de forma aproximada al contorno en un mol-de para el prensado; es decir, los puntos en los que seasienta una leva 2 se conforman de modo correspon-diente a las dimensiones de la leva 2 y su posición. Elárbol con sus levas es un único cuerpo hueco. En un

proceso conocido se fabrican de forma independien-te anillos 3 de soporte, tal como puede observarse enlas figuras 2 y 3. Para ello, por ejemplo, se perfila untubo hecho de material resistente al desgaste, de ma-nera que viene dada la forma definitiva del anillo 3 desoporte (leva), y se endurece. El tubo 1 prefabricado,que se remodela para formar el árbol de levas, se des-plaza a través de los anillos 3 de soporte y, junto conellos, se introduce en la herramienta de remodeladoabierta. De esta forma, todas las piezas individualesestán fijadas en su posición. La herramienta de remo-delado se cierra de forma axial y la entrada de fuerzaspara el remodelado puede realizarse de forma radial.La entrada de fuerzas comienza con una fuerza axialdefinida en el tubo 1 y / o la herramienta, soportada

por una presión interna definida en el tubo 1. Tras elcierre total de la herramienta de forma axial y radial,con un proceso RAPI puro, se lleva a cabo la unión enarrastre de forma y fuerza del tubo 1 y el anillo 3 desoporte. Al final del tubo 1 se montan elementos 5 deaccionamiento o soporte de forma conocida. Tambiénes posible sujetarlos en el tubo 1 mediante el procesoRAPI.

También es posible realizar una acanaladura 4 deforma radial en el interior del anillo 3 de soporte, conlo que se mejora la sujeción en las levas 2, ya que es-ta acanaladura 4 se rellena con el material del tubo 1.También es posible dotar de fases al anillo 3 de sopor-te en el diámetro interno, las cuales se llenan con ma-terial en el proceso RAPI que cierra herméticamente.

En otro ejemplo, la fabricación de un árbol de le-vas mediante el procedimiento RAPI se describe encombinación con los procesos de modelado según lafigura 4.

El tubo 1, hecho de un material que puede defor-marse fácilmente, se deforma engrosándose en sus ex-tremos mediante reducción rotatoria o recalcado. De

esta forma, en un lado se reduce su diámetro DI   in-terno y se fabrica su diámetro DA externo, de maneraque se origina una zona 6 que refuerza el árbol de le-vas. En el extremo más exterior se origina un elemen-to 7 funcional cuyo asiento se lleva a su medida final

mediante rectificado. También se reduce el diámetroDI interno en el otro extremo, igualmente mediante elmodelado o recalcado, al mismo tiempo que el mode-lado del extremo ya descrito, y se crea otro elemen-to 7 funcional (asiento del soporte, levas de control,etc.). En la siguiente etapa del procedimiento tambiénse recalca conjuntamente el collar 8, que es necesa-rio para sujetar mediante bridas otras agrupaciones.Tras la primera etapa del procedimiento se sujetan losanillos 3 de soporte, fabricados en un procedimientoindependiente, que corresponden a la forma de las le-vas, y la rueda de cadena (no mostrada) en arrastre defuerza y forma mediante el procedimiento RAPI. Paraello, los anillos 3 de soporte y la rueda de cadena seintroducen en la herramienta RAPI.

En la figura 5 se muestra una forma de realizacióndel árbol de levas en la que el anillo 3 de soporte poseeun grosor diferente.

El tubo 1, hecho de un material que puede de-formarse fácilmente, tiene un diámetro da externo. Elanillo 3 de soporte, hecho de metal sinterizado, tienepor fuera la forma condicionada funcionalmente y enel interior no es un círculo. Su diámetro DI interno esalgo mayor que el diámetro da externo del tubo 1. Elgrosor del anillo 3 de soporte no es constante. La al-tura A, que se origina cuando se parte de un grosorconstante del anillo de soporte, es mayor que la alturaA’ de la deformación máxima del tubo 1 y, con ello,el radio Ri’ en la zona de la deformación del tubo 1 esmayor en comparación con Ri  en el caso del mismogrosor c supuesto del anillo 3 de soporte. En esta zo-na, el grosor c’ del anillo 3 de soporte es mayor y sedesarrolla al grosor c constante.

Si también el anillo 3 de soporte en esta formaes ligeramente más caro en su fabricación, entoncesprevalecen los costes reducidos para el procedimientoRAPI, que es posible en una sola etapa.

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REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para fabricar un árbol de levas apartir de un tubo (1), el cual se deforma mediante laacción de fuerzas axiales y un medio con alta presión

interna, caracterizado

porque el anillo (3) de soporte,fabricado en un procedimiento separado, que corres-ponde con el contorno de las levas, la dureza, solidezy resistencia al desgaste necesarias, junto con el tubo(1) a remodelar se introducen en una herramienta deremodelado de alta presión interna, y porque, median-te la acción de fuerzas axiales y de un medio con unaalta presión interna, se configuran levas (2) medianteensanchamiento del tubo (1), y los anillos (3) de so-porte se sujetan en las levas (2) en arrastre de fuerzay de forma.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, carac-terizado porque, en una primera etapa del procedi-miento anterior a la remodelación de alta presión in-terna, las áreas, preferiblemente los extremos del tubo

(1) que están fuera del área, en las que se asientan laslevas (2) se modelan y / o recalcan de manera que és-tas se ensanchan y / o estiran y, con ello, se formanotros elementos funcionales.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, carac-terizado porque entre los extremos de los árboles delevas, en la primera etapa del procedimiento anteriora la remodelación de alta presión interna, las super-ficies de apoyo y las áreas posteriores en las que seasientan las levas (2) se generan mediante reducciónrotatoria, reduciendo el diámetro en esta área a unamedida deseada.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, ca-racterizado porque entre las levas (2) se generan su-perficies de apoyo mediante remodelación de alta pre-sión interna, por medio del ensanchamiento del tubo(1).

5. Procedimiento según al menos una de las rei-vindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los anillos(3) de soporte se endurecen de forma conocida antesde introducirlos en la herramienta de remodelado dealta presión interna.

6. Procedimiento según al menos una de las rei-vindicaciones 1 a 5, caracterizado porque una ruedadentada o de cadena fabricada en una etapa indepen-diente se introduce en la herramienta de remodeladode alta presión interna y se une en arrastre de fuerzay / o forma mediante la remodelación de alta presióninterna.

7. Procedimiento según al menos una de las reivin-dicaciones 1 a 6,  caracterizado porque, tras fabricarlos extremos engrosados o estrechados del árbol delevas mediante reducción rotatoria, en una etapa adi-cional del procedimiento integrada en esta etapa delprocedimiento, se fabrica un dentado interno y / o unarosca.

8. Árbol de levas, fabricado según la reivindica-ción 1, que presenta un tubo (1) y elementos funcio-nales unidos con el tubo (1), especialmente levas (2),caracterizado porque las levas (2) están configuradasde forma aproximada al contorno respecto a la forma

y posición, mediante un procedimiento de remodela-ción de alta presión interna, por medio de la defor-mación del tubo (1), porque un anillo (3) de soporteformado según el contorno de las levas, hecho de unmaterial duro resistente al desgaste, está montado enlas levas (2) en arrastre de fuerza y de forma, y porqueen los extremos del tubo (1) están montados elemen-tos de soporte y / o accionamiento y / o control.

9. Árbol de levas según la reivindicación 8,   ca-racterizado porque los anillos (3) de soporte poseenel mismo grosor de pared.

10. Árbol de levas según la reivindicación 8,  ca-racterizado porque el grosor de los anillos (3) de so-porte es variable, de modo que el grosor es mayor en

el área de la punta de las levas.11. Árbol de levas según la reivindicación 8,  ca-racterizado porque el anillo (3) de soporte está com-puesto de metal sinterizado, material sintético o cerá-mica.

12. Árbol de levas según la reivindicación 8,  ca-racterizado porque el tubo (1) está hecho de alumi-nio, magnesio o titanio, o sus aleaciones.

13. Árbol de levas según la reivindicación 8,  ca-racterizado porque los extremos del tubo (1) estándeformados mediante modelado de tal manera que,mediante el ensanchamiento o estrechamiento del diá-metro (Di; da) original del tubo (1), se generan su-perficies de apoyo, elementos de accionamiento y / o

control y roscas interiores y / o exteriores.14. Árbol de levas según la reivindicación 8,  ca-

racterizado porque los elementos de accionamientoy control, preferiblemente ruedas dentadas o de cade-na, se montan mediante el procedimiento de remode-lación de alta presión interna.

15. Árbol de levas según la reivindicación 14,  ca-racterizado porque en el anillo (3) de soporte y en loselementos de accionamiento y control está realizadaal menos una acanaladura (4) que discurre de formaradial.

16. Árbol de levas según la reivindicación 14,  ca-racterizado porque el lado dirigido al tubo (1) delanillo (3) de soporte y los elementos de accionamien-to presenta biseles por uno o por los dos lados del ladodirigido al tubo (1).

17. Árbol de levas según la reivindicación 8,  ca-racterizado porque el anillo (3) de soporte se endu-rece antes de montarlo en las levas modeladas.

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