EJE DE CENTRO LEVANTADO Y PROCESO PARA LAMINACIÓN DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la técnica de ejes para vehículos. Más particularmente, la invención se refiere a la técnica de ejes de centro levantado para vehículos de carga pesada, tal como tractor-remolques o semi-remolques y camiones simples, y procesos para laminar tales ejes . Los vehículos de carga pesada, tales como tractor-remolque o semi -remolques y camiones simples, típicamente incluyen múltiples ejes que se separan longitudinalmente a lo largo del vehículo para crear estabilidad de recorrido. Cada eje normalmente incluye un tubo central y un par de husillos. Los husillos se montan en extremos opuestos el tubo central y se extienden externamente de los mismos. Las ruedas del vehículo se montan en forma rotativa en los husillos, y un sistema de suspensión de brazo delantero o trasero conecta cada eje al bastidor de vehículo. El sistema de suspensión y eje con frecuencia se refieren en combinación como un sistema de eje/suspensión. Para propósito de conveniencia, ahora se hará referencia solamente a los ejes, con el entendimiento de que tales ejes se utilizan en un sistema de ejes/suspensión de vehículo de carga pesada. Ciertos tipos de vehículos de carga pesada, tales como camiones tanque de descarga posterior, con frecuencia
utilizan un eje en el cual el tubo central incluye una porción central que se dobla ascendentemente. Tales ejes se conocen en la técnica como ejes de centro levantado, y la porción doblada ascendentemente se refiere como un arco o una protuberancia. Cuando el eje de centro levantado está en una posición en servicio, la protuberancia está por arriba del resto del eje o sus porciones horizontalmente dispuestas desdobladas. Esto es en contraste con un eje de centro caído, en el cual el tubo central del eje incluye una protuberancia que está por debajo del resto del eje cuando el eje está en una posición en servicio. En la técnica anterior, los procesos asociados con laminar la protuberancia para un eje de centro levantado ha necesitado el uso de una pared gruesa para el tubo central, tal como de aproximadamente 19.05 milímetros (0.750 pulgadas) o más. Por ejemplo, los procesos de laminación en frío de la técnica anterior utilizados para fabricar un eje de centro levantado involucran un proceso de doblado de un solo golpe, donde el golpe se realiza por una prensa hidráulica. En tal proceso, un eje que tiene un tubo central vertical se inserta en la prensa y un punzón impulsado por la prensa golpea una porción central del tubo, doblando la porción central del tubo en un movimiento para formar la protuberancia. Este proceso de un solo golpe, sin embargo, produce tensiones residuales en el corte transversal del eje que son dañinas
para el eje cuando se carga en condiciones de servicio. Es decir, puesto que la protuberancia del eje de centro levantado está por arriba del resto del eje en una posición en servicio, la "sobrecarga" del tubo central provocada por la prensa para laminar la protuberancia produce tensiones compresivas en la porción inferior de la protuberancia. Sin embargo, después de que el punzón se retrae una vez que el tubo central se ha doblado para laminar la protuberancia, existe una ligera cantidad de formación residual del tubo central . Esta deformación residual produce un estado del esfuerzo de tracción residual en la porción inferior de la protuberancia del eje, lo cual combina las fuerzas de carga experimentada por el eje cuando está en servicio que tienden a flexionar la protuberancia y para crear esfuerzos de tracción adicionales en la porción inferior de la protuberancia del eje. Esta combinación de esfuerzos de tracción inducidos por carga y esfuerzos de tracción residuales en el eje en la porción inferior de la protuberancia tiene la posibilidad de producir una falla prematura del eje. El efecto del estado del esfuerzo de tracción residual en la porción inferior de la protuberancia del eje de centro levantado es el contraste con el efecto del mismo estado de tensión residual en un eje de centro caído. Más particularmente, un eje de centro caído incluye el mismo
estado de esfuerzo de tracción residual en la misma ubicación que el eje de centro levantado, sin embargo, la orientación invertida del eje de centro caído provoca que condiciones de carga en servicio produzcan tensiones compresivas que contrarrestan los esfuerzos de tracción residuales. Este contraste justifica el principio de que una sobrecarga de una sola vez para formar un tubo de eje produce tensiones residuales que son favorables para la carga subsiguiente en la misma dirección, mientras aquellas mismas tensiones residuales son dañinas para la carga subsiguiente en la dirección opuesta. Para compensar las tensiones residuales que contribuyen a la producción prematura potencial de ejes de centro levantado que se laminan en frío de acuerdo con los procesos de la técnica anterior, los ejes incluyen espesores de pared grandes, en el orden de aproximadamente 19.05 milímetros (0.750 pulgadas) . Aún con tales espesores de pared grandes, sin embargo, estos ejes de centro levantado de la técnica anterior aún son potencialmente susceptibles a falla estructural prematura. Procesos de post tratamiento de laminación se han probado en un intento por reducir las tensiones residuales no deseables en los ejes de centro levantado de la técnica anterior, tal como amartillado por impacto o amartillado por punzón del eje. Sin embargo, la adición de tales procesos de post-tratamiento de laminación
incrementa en forma indeseable el tiempo y gasto para producir un eje de centro levantado. Además, tratamientos superficiales tales como aquellos observados en lo anterior no mejoran significativamente la resistencia estática del eje, lo cual se disminuye severamente por las tensiones residuales a partir de la laminación en frío. Otros procesos de laminación de eje de centro levantado de la técnica anterior incluyen laminación en caliente de la protuberancia. La laminación en caliente reduce las tensiones residuales, pero requiere un espesor de pared grande para mantener la capacidad de doblar el tubo central del eje para formar la protuberancia mientras mantiene la integridad estructural. De este modo, un espesor de pared de tubo de eje de aproximadamente de 19.05 milímetros (0.750 pulgadas) nuevamente se requiere. La laminación en caliente también es típicamente más costosa que la laminación en frío, debido en parte al tiempo adicional, energía y equipo asociados con calentar el eje para laminación. Como resultado, los ejes de centro levantado que no se laminan en caliente tienden a ser más costosos que aquellos que se laminan en frío, y aún requiere espesores de pared incrementados, lo cual introduce peso innecesario al eje . Los espesores de pared grande son necesarios para los ejes de centro levantado formados de acuerdo con los
procesos de la técnica anterior son indeseables, ya que espesores de pared grande incrementan la cantidad y de este modo el costo del material de partida necesario para el eje.
Además, un espesor de pared grande incrementa el peso del eje, lo cual contribuye indeseablemente a carga útil disminuida para el vehículo sobre el cual se incorpora el eje . De este modo, existe una necesidad en la técnica de un eje de centro levantado que solucione los problemas de la técnica anterior al laminarse económicamente, mientras reduce las tensiones residuales indeseables y el espesor de pared, y mantiene o mejora las propiedades físicas mostradas por los e es de centro levantado de la técnica anterior. También existe una necesidad de la técnica de un proceso para laminar económicamente un eje de centro levantado. La presente invención proporciona un e e de centro levantado y método para laminar el mismo. Un objetivo de la presente invención es proporcionar un e e de centro levantado que reemplace un estado de tensión residual dañino en la porción de protuberancia del e e con un estado de tensión residual benéfico . Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un e e de centro levantado que tenga un espesor de pared reducido.
Aún otro objetivo de la presente invención es proporcionar un eje de centro levantado que muestre propiedades físicas que sean comparables o mejores que aquellas de los ejes de centro levantado de la técnica anterior. Aún otro objetivo de la presente invención es proporcionar un método para laminar económicamente un eje de centro levantado que tiene tensiones residuales benéficas y un espesor de pared reducido, propiedades físicas aún comparables son mejoradas cuando se comparen con los ejes de centro levantado de la técnica anterior. Estos objetivos y otros se obtienen por el eje de centro levantado laminado en frío, para un vehículo de carga pesada de la presente invención, la naturaleza general del cual puede establecerse como incluyendo un tubo central que tiene un par de extremos y un espesor de pared de aproximadamente 12.7 a aproximadamente 15.87 milímetros (0.500 a aproximadamente 0.625 pulgadas) . Cada uno de un par husillos se une al respectivo de los extremos de tubo central. Una protuberancia se lamina en frío en el tubo central entre los extremos y la protuberancia se extiende general y ascendentemente cuando el eje está en una posición en servicio. La porción inferior de la protuberancia en la posición en servicio muestra tensiones residuales compresivas.
Estos y otros objetivos también se obtienen por el método para laminar en frío de un eje de centro levantado de un vehículo de carga pesada de la presente invención, el cual incluye las etapas de proporcionar un eje sustancialmente vertical e insertar el eje en una prensa. Una protuberancia se lamina en exceso en una primera dirección con la prensa, produciendo una curvatura en el eje. Subsecuentemente, el eje se forma en una segunda dirección con la prensa para remover sustancialmente la curvatura mientras reemplaza simultáneamente las tensiones residuales dañinas en la porción de protuberancia del eje en una posición en servicio con tensiones residuales benéficas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La modalidad preferida de la invención, ilustrativa del mejor modo en el cual se ha contemplado aplicar los principios de la invención, se establece en la siguiente descripción y se muestra en los dibujos, y se señala particular y distintivamente y se establece en las reivindicaciones anexas. La FIGURA 1 es una vista en elevación frontal esquemática de un eje colocado en una prensa antes de la laminación del centro levantado, con porciones seleccionadas de la prensa representadas por líneas de rayado sencillo y estructura oculta del eje representada por líneas
discontinuas ; la FIGURA 2 es una vista similar a la FIGURA 1, pero que muestra la posición de la prensa y la configuración alterada del eje después de que se ha completado una primera etapa de la operación de laminación del centro levantado de la presente invención; la FIGURA 3 es una vista similar a las FIGURAS 1 y
2, pero que muestra la posición de la prensa, cuñas y bloques de soporte en preparación para una segunda etapa de la operación de laminación de centro levantado de la presente invención; la FIGURA 4 es una vista similar a las FIGURAS 1-3, pero que muestra la posición de la prensa y la configuración alterada del eje durante la segunda etapa de laminación del centro levantado de la presente invención; y la FIGURA 5 es una vista en elevación frontal del eje de centro levantado de la presente invención en una orientación en servicio, con la estructura oculta representada por las líneas discontinuas. Números similares se refieren a partes similares a través de los dibujos. Regresando ahora a los dibujos, donde las ilustraciones se proporcionan para mostrar una modalidad preferida de la invención y no para limitar la misma, un eje que va a formarse en un eje de centro levantado se muestra en
las FIGURAS 1-3 y se indica generalmente en 10. Con referencia particular ahora a la FIGURA 1, el eje 10 incluye un tubo 12 central que tiene un par de extremos 14. Cada uno de un par de husillos 18 se monta en uno respectivo de los extremos 14 del tubo 12 central . Para laminar de acuerdo con el método de la presente invención, el eje 10 se coloca en una prensa 20, la cual incluye una platina 22 superior y una platina 24 inferior. Un punzón 26 se asegura a la platina 22 superior y se extiende descendentemente de la misma, de preferencia en el centro de la platina, como se indica por la línea central C. Un par de bloques 28 de soporte inferiores se asegura a la platina 24 inferior y se extiende ascendentemente de la misma, y los bloques se separan entre sí a una distancia d con cada uno de los bloques siendo equidistante de la línea central C. El punzón 26 incluye una altura Ph y un ancho Pw que cooperan con una altura Bh de los bloques 28 de soporte inferiores y la distancia d para producir las dimensiones de curvatura deseadas en el tubo 12 central para la protuberancia que va a laminarse. El punzón 26 incluye una superficie 30 inferior curvada y cada bloque 28 de soporte inferior incluye una superficie 32 superior redondeada que proporciona una curvatura deseada en la protuberancia que va a laminarse. Opcionalmente, los bloques 28 de soporte inferior pueden incluir cada uno un canal superior (no
mostrado) que recibe el tubo 12 central, que permite por consiguiente que los bloques mantengan el eje 10 en su lugar. Cada uno del par de bloques 42 de soporte superior se asegura al respectivo de los extremos 14 del tubo 12 central adyacente a cada husillo 18 por un medio bien conocido en la técnica, con cada bloque siendo equidistante de la línea central C y que tiene una altura SBh para producir las dimensiones de curvatura deseadas en el tubo 12 central, y en particular para controlar el exceso de curvatura del eje durante la primera etapa de laminación, como se describirá en detalle en lo siguiente. Con referencia continua a la FIGURA 1, un punto 34 central transversal del eje 10 se alinea con la línea central C vertical de la prensa 20 y el eje se voltea o se hace girar radialmente para orientarlo y asegurar que la protuberancia se forme en la dirección deseada. Más particularmente, ciertas características y componentes (no mostrados) para montar el eje 10 de preferencia ya se forman en o se unen al eje, de tal manera que el eje deba orientarse de acuerdo con su posición en servicio. La prensa 20 se muestra con la platina 22 superior como la platina de movimiento, y la platina 24 inferior como la platina estacionaria para propósito de conveniencia. En servicio, el eje 10 incluirá una porción 36 inferior y una porción 38 superior (véase FIGURAS 2-5) . Por lo tanto, durante la laminación, la
protuberancia se formará en una dirección descendente, resultando en la porción 36 inferior del eje 10 siendo orientada ascendentemente en la prensa 20, y la porción 38 superior siendo orientada descendentemente. Alternativamente, otros tipos de prensas 20 pueden utilizarse. Por ejemplo, la prensa 20 puede incluir una platina inferior que es la platina de movimiento, mientras la platina superior es la estacionaria. En tal caso, las orientaciones de las porciones 36, 38 superior e inferior del eje 10 se invierten por consiguiente. Es importante observar que, cuando el eje 10 se coloca en la prensa 20, una línea central Lc longitudinal de los husillos 18 es generalmente horizontal. Regresando ahora a la FIGURA 2, la platina 22 superior de la prensa 20 se mueve descendentemente como se indica por las flechas D para laminar en exceso el eje 10. Es decir, el movimiento de la platina 22 superior provoca que el punzón 26 choque con el tubo 12 central, con suficiente fuerza para formar una protuberancia 40 y doble en exceso el tubo central, como se muestra por el ángulo . El ángulo se conoce en la técnica como la curvatura, la cual es el ángulo de la línea central Lc longitudinal del husillo con relación a la horizontal H. Bloques 42 de soporte superior contactan la platina 22 superior durante esta primera etapa en el proceso de laminación, de este modo limitando el ángulo o; y controlando la curvatura en exceso del tubo central.
En los procesos de laminación del eje de centro levantado de la técnica anterior, la meta ha sido lograr una curvatura OÍ de grado cero con una operación de laminación sencilla para poder permitir que las ruedas (no mostradas) que se montarán en los husillos 18 viajen uniformemente durante la operación del vehículo. Para ejes de centro caído, esta operación de laminación sencilla produce tensiones residuales deseables debido a que tales tensiones son favorables para la carga subsiguiente en la misma dirección durante la operación del vehículo, de tal manera que solamente un golpe se realiza con la curvatura resultante de aproximadamente cero grados. En el proceso de laminación de eje de centro levantado de la presente invención, sin embargo, la primera operación de laminación es una operación de laminación en exceso, que produce una misma cantidad de curvatura a positiva, tal como en el margen de aproximadamente 0.250 a aproximadamente 1000 grados, y de preferencia en el margen de aproximadamente 0.375 a aproximadamente 0.500 grados. Una vez que la platina 22 superior y el punzón 26 se retraen después de la primera operación de laminación, el eje 10 experimenta cierta deformación residual, creando esfuerzo de tracción residual en la porción 36 inferior de la protuberancia 40. Con referencia ahora a la FIGURA 3, de preferencia sin remover el eje 10 de la prensa 20, cada una del par de
cuñas 43 se une a la parte superior del respectivo de los bloques 42 de soporte superior. Las cuñas 43 y los bloques 42 de soporte superior, en conjunto, tienen una altura Sh que permite a la platina 22 superior de la prensa 20 contactar la superficie superior de las cuñas sin que el punzón 26 contacte el eje 10 con la reactivación de la prensa 20. La platina 22 superior se mueve como se indica por las flechas D y golpea las cuñas 43 con suficiente fuerza para doblar los extremos 14 de tubo central descendentemente, como se muestra en la FIGURA 4, mientras los bloques 28 de soporte mantienen al tubo 12 central. De esta manera, una segunda operación de laminación dobla los extremos 14 de tubo central sobre los bloques 28 de soporte hacia la horizontal H para reducir la curvatura a en aproximadamente cero grados, más o menos una tolerancia lo suficientemente pequeña para asegurar una operación exitosa en servicio y para minimizar el desgaste de las llantas y similares. En la segunda operación de laminación, la platina 22 superior se mueve lo suficientemente lejos para provocar que el eje 10 se desempeñe lo suficiente para que los husillos 18 se dispongan en paralelo a la horizontal H después de la deformación residual del eje cuando se retraiga la platina superior. Esta segunda operación de laminación, la cual es una operación de post-laminación después de la laminación inicial de la protuberancia 40, sin contacto por el punzón
26, provoca un rendimiento del eje 10 que invierte el momento de flexión en la porción central del eje. Este rendimiento en la porción central del eje 10 induce tensiones residuales que invierten esencialmente los esfuerzos de tracción residuales en la porción 36 inferior de la protuberancia 40 provocadas por la primera operación de laminación (FIGURA 2), creando por consiguiente tensiones residuales compresivas deseables en la porción inferior de la protuberancia que son favorables para la carga en servicio para un eje de centro levantado. Este estado de tensión residual favorable resulta en resistencia estática mejorada y vida de fatiga mejorada, como se describirá en mayor detalle en lo siguiente. Regresando ahora a la FIGURA 5, el eje de centro levantado laminado de la presente invención se indica generalmente en 44 y se muestra en una posición operacional o en servicio. El eje 44 de centro levantado incluye propiedades físicas y características que se mejoran sobre los ejes de centro levantado de la técnica anterior. Por ejemplo, el eje 44 de centro levantado incluye un espesor t de pared en el margen de aproximadamente 12.7 milímetros
(0.500 pulgadas) a aproximadamente 15.87 milímetros (0.625 pulgadas), cuando se compara con ejes de centro levantado de la técnica anterior, que tienen un espesor de pared de aproximadamente 19.05 milímetros (0.750 pulgadas). Además, incluso con espesor t de pared más delgada, el eje 44 de
centro levantado experimenta una vida más larga y rendimiento mejorado sobre los ejes de la técnica anterior en proporciones de carga anticipadas típicas, como lo demuestran los siguientes resultados de prueba. Cada prueba se llevó a cabo utilizando una proporción de carga de aproximadamente 10,432.625 kilogramos (23,000 libras), lo cual es una proporción de carga típica para un eje de centro levantado de carga normal, y es la proporción de carga pretendida para el eje 44 de centro levantado de la presente invención. Una prueba de fatiga de viga vertical se llevó a cabo, en la cual un eje 44 de centro levantado de muestra de la presente invención, la muestra tiene el espesor t de pared de aproximadamente 15.87 milímetros (0.625 pulgadas), se cargó cíclicamente para determinar el número de ciclos de carga que provocaría que el eje se agrietara a través de su pared de tubo exterior. Más particularmente, el eje 44 de centro levantado y un eje de centro levantado de la técnica anterior típica, el eje de la técnica anterior tiene un espesor de pared de 19.05 milímetros (0.750 pulgadas), cada uno se cargó cíclicamente en los husillos 18 con hasta aproximadamente 10,432.625 kilogramos (23,000 libras) por husillo, o aproximadamente 20,865.249 kilogramos totales
(46,000 libras totales), hasta que cada eje se agrietó a través de su pared de tubo exterior. El eje 44 de centro levantado de la presente invención se agrietó a través de su
pared de tubo exterior en 104,200 ciclos en promedio, que duran un promedio de 40 por ciento más largo que la muestra representativa más durable del eje de centro levantado de la técnica anterior que se agrietó a través de su pared de tubo exterior en aproximadamente 74,000 ciclos, demostrando una mejora notable sobre la técnica anterior a pesar de tener un espesor de pared reducido. Es importante observar que la muestra representativa más durable del eje 44 de centro levantado de la presente invención se agrietó a través de su pared de tubo exterior en aproximadamente 116,000 ciclos. Una prueba de carga estática de viga vertical también se realizó, en la cual un eje 44 de centro levantado de muestra de la presente invención, la muestra tiene el espesor t de pared de aproximadamente 15.87 milímetros (0.625 pulgadas) se cargó con peso incrementado al cargar cada husillo 18 para estimular las características de carga en servicio, hasta que el eje se doblegó, midiendo por consiguiente la resistencia del eje. Para comparación, un eje vertical que tiene una proporción de carga de 10,432.625 kilogramos (23,000 libras), lo cual típicamente se espera por aquellos con experiencia en la técnica para que sea más fuerte que un eje de centro levantado, se cargó bajo las mismas condiciones que el eje 44 de centro levantado de la presente invención. El eje 44 de centro levantado de la presente invención no mostró ningún ajuste permanente en una
carga de aproximadamente 31,297.874 kilogramos totales (69,000 libras totales), o aproximadamente 15,648.937 kilogramos (34,500 libras) por husillo 18, y un ajuste menor pero definitivo en una carga de aproximadamente 36,514.186 kilogramos totales (80,500 libras totales), o aproximadamente 18,257.093 kilogramos (40,250 libras) por husillo. El eje vertical no mostró ningún ajuste permanente en una carga de aproximadamente 26,865.249 kilogramos totales (46,000 libras totales), o aproximadamente 10,432.625 kilogramos (23,000 libras) por husillo, un conjunto inconvincente o muy menor en una carga de aproximadamente 26,081.561 kilogramos totales
(57,500 libras), o aproximadamente 13,040.781 kilogramos
(28,750 libras) por husillo, y un ajuste menor pero definitivo en una carga de aproximadamente 31,297.874 kilogramos totales (69,000 libras totales), o aproximadamente 15,648.937 kilogramos (34,500 libras) por husillo. Comparar las cargas en el punto de ajuste menor pero definitivo, lo cual es indicativo de rendimiento, el eje 44 de centro levantado de la presente invención es inesperadamente alrededor de 16 por ciento más fuerte que el eje vertical valorado en 10,432.625 kilogramos (23,000 libras). De este modo, el eje 44 de centro levantado de la presente invención muestra una mayor vida y resistencia mejorada cuando se compara con los ejes de la técnica anterior. El eje 44 de centro levantado se lamina en frío por
dos procesos de laminación, o golpes, en dos direcciones diferentes, por lo que imparte tensiones residuales favorables a la protuberancia 40 del eje. Estas tensiones residuales favorables permiten que el eje 44 de centro levantado tenga un espesor t de pared que es menor que aquel de los ejes de centro levantado de la técnica anterior, lo cual lleva ahorros de material de partida y ahorros de peso. De esta manera, el eje 44 de centro levantado se lamina económicamente y resulta en características mejoradas y rendimiento sobre ejes de centro levantado de la técnica anterior. Se observa que ciertas etapas, el orden de esas etapas, y la maquinaría o herramientas utilizadas para llevar a cabo las etapas, se han descrito en la presente por medio del ejemplo, pero no se pretenden para limitar al alcance de la invención. Por ejemplo, el orden y el número de etapas, y/o el tipo de equipo utilizado para lograr esas etapas, puede alterarse o ajustarse sin afectar el concepto general de la invención. Por consiguiente, el eje de centro levantado y método para laminar el mismo de la presente invención se simplifica, proporciona una estructura efectiva, segura, económica y eficiente y método que logra todos los objetivos enumerados, permite eliminar dificultades encontradas con los ejes de centro levantado de la técnica anterior y procesos para laminar los mismos, y resuelve los problemas y obtiene
nuevos resultados en la técnica. En la descripción anterior, ciertos términos se han utilizado para brevedad, claridad y entendimiento; pero ninguna limitación innecesaria se implicará a partir de los mismos más allá de los requerimientos de la técnica anterior, debido a que tales términos se utilizan para propósitos descriptivos y se pretenden para interpretarse ampliamente. Además, la descripción e ilustración de la invención es por medio del ejemplo, y el alcance de la invención no se limita a los detalles exactos mostrados o descritos . Habiendo descrito ahora las características, descubrimientos y principios de la invención, la forma en la cual el eje de centro levantado mejorado se construye, dispone y utiliza, las características de la construcción y disposición y los resultados ventajosos, novedosos y útiles obtenidos; las etapas novedosas y útiles, estructuras, dispositivos, elementos, disposiciones, partes y combinaciones, se establecen en las reivindicaciones anexas.