AT412666B

AT412666B - Werkstück, insbesondere kurbelwelle

Info

Publication number: AT412666B
Application number: AT0086503A
Authority: AT
Inventors: Georg Dipl Ing Toplack
Original assignee: Jenbacher Ag
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-05-25
Also published as: ATA8652003A; CA2469961A1; US20040244529A1; DE102004026263A1; DE102004026263B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück, insbesondere Kurbelwelle, dessen Oberfläche in einem zu härtenden Bereich mehrere voneinander beabstandete, gehärtete, vorzugsweise lasergehärtete Teilbereiche aufweist.

Werkstücke, insbesondere Kurbelwellen, die das Herzstück einer jeden Hubkolbenmaschine darstellen, sind hoch belastete Teile und müssen daher dauerfest ausgelegt werden. Aufgrund der gekröpften Ausführung von Kurbelwellen entsteht ein sehr ungleichmässiger Kraftfluss, sodass insbesondere in den Übergangsradien zwischen den Zapfen und den Wangen hohe Spannungsbelastungen auftreten. Um die Dauerwechselfestigkeit zu steigern, sind gemäss dem Stand der Technik einige Verfahren bereits bekannt, die eine Druckvorspannung in die Oberflächenschicht einbringen. Zu den bereits bekannten Verfahren zählen etwa das Hochfrequenzhärten, das Nitrieren, das Rollieren, das Hämmern bzw. auch die Kombination aus Härten und Hämmern.

Zum Stand der Technik gehört beispielsweise auch die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 26 165 A1, bei welcher zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstückes nacheinander punktförmige Teilbereiche des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls erzeugt werden. Durch die punktuelle Anordnung der Härtepunkte in einer Matrix werden Druckspannungszentren erzeugt, wobei sich zwischen den einzelnen Punkten immer relativ zähes Material des Ausgangszustandes befindet. Beim Stand der Technik sind die Härtepunkte in einem äquidistanten Muster angelegt. Im Weiteren ist es gemäss dem Stand der Technik bereits bekannt, den Abstand der Härtepunkte zueinander innerhalb der Matrix zu verändern, siehe z.B.

US 4 179 316 A.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Werkstück mit höherer Dauerwechselfestigkeit zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Ausdehnung der gehärteten, vorzugsweise im Wesentlichen punktförmigen Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.

Mit anderen Worten ist die Grösse der Härtepunkte ungleichmässig. In diesem Zusammenhang ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Abstand s der gehärteten Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert. Damit wird ein sanfter Verlauf ohne abrupte Grenzen des zu härtenden Bereiches ermöglicht. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass durch dieses Konzept sich eventuell an den gehärteten Teilbereichen entwickelnde Risse im umgebenden, ungehärteten Material gestoppt werden und damit die Dauerwechselfestigkeit verbessert wird. Die Anordnung, Grösse und Tiefe der Härtepunkte kann durch die Laserparameter, insbesondere Fokus, Leistung und Pulsdauer, kontrolliert festgelegt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in der kurzen Durchlaufzeit der zu behandelnden Werkstücke, damit wird der Energieverbrauch bzw. die Wärmeentwicklung reduziert. Es ist auch kein Schleifprozess nach dem Härtevorgang erforderlich, ausserdem können gegebenenfalls vorhandene Verzüge (Abweichungen der Achsparallelitäten) mit dem System korrigiert werden.

Dadurch, dass die als Verhältnis von Ausdehnung eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand des nächstliegenden Teilbereiches definierte Dichte d/s für zumindest einen Teil des zu härtenden Bereiches, vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, zum Rand des zu härtenden Bereiches hin abnimmt, wird einerseits ein sanfter Grenzverlauf des gehärteten Bereichs ermöglicht, andererseits wird dabei eine geringere Hitzeentwicklung gewährleistet, wodurch Deformationen bzw. Energieverbrauch minimiert werden können. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereiche zum Rand hin abnimmt.

Dadurch, dass der Rand des zu härtenden Bereiches in einer ebenen Abwicklung einen im Wesentlichen polygonalen oder ellipsenförmigen Verlauf aufweist, wird erreicht, dass sich die Druckspannungen vom Mittelpunkt des Härtebereichs ausgehend gleichmässig verteilen.

Dadurch, dass die gehärteten Teilbereiche zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen ausschliesslich, im abgerundeten Übergangsbereich angeordnet sind, kann eine lokale Härtung jener Zone durchgeführt werden, wo die Druckspannungen am grössten sind.

Es ist günstig, wenn die gehärteten Teilbereiche zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen ausschliesslich, im abgerundeten Übergangsbereich angeordnet sind, wobei es ausreicht, wenn nur innerhalb eines zur Wange weisenden Winkelsektors a eine Härtung erfolgt.

Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Entlastungskerbe teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs und teilweise im Kurbelzapfen und/oder eine Kerbe teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs und teilweise im Wellenzapfen angeordnet. Durch die Anordnung

der Kerbe wird eine effiziente Verringerung der am Übergang zwischen Kurbelzapfen und Kurbelwange bzw. zwischen Wellenzapfen und Kurbelwange auftretenden Spannungskonzentrationen erreicht. Die Kurbelwelle kann damit auch bei höheren Leistungen kleiner dimensioniert werden, ohne dass hierzu weitere festigkeitssteigernde Massnahmen nötig wären. Dies ist besonders günstig bei grossen Verbrennungsmotoren, wie zum Beispiel stationären Gasmotoren zum Antrieb von Generatoren und dergleichen.

Die Massnahme der Entlastungskerbe kann günstig mit der Idee der Laserpunkte kombiniert werden, indem diese zumindest bereichsweise in die Entlastungskerbe hineinreichen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Teils einer Kurbelwelle,
Fig. 2 eine schematische Vorderansicht der Kurbelwelle,
Fig. 3 eine vergrösserte Seitendetailansicht der Kurbelwelle,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des gehärteten Bereichs,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer optionalen Entlastungskerbe, und
Fig. 6 eine schematische Anordnung der Härtepunkte zur Definition von Abstand s und Aus- dehnung d.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen 1, einer Kurbelwange 2 und einem Wellenzapfen 5 mit gedachter Drehachse 6 dargestellt. Zwischen Kurbelzapfen 1 und Kurbelwange 2 befindet sich ein abgerundeter Übergang 3. Entsprechend ist ein abgerundeter Übergang 3' zwischen dem Wellenzapfen 5 und der Kurbelwange 2 angeordnet. In einem Bereich des abgerundeten Übergangs 3 bzw. 3' befinden sich die gehärteten Bereiche 4 bzw. 4'. Das Grundmaterial besteht aus einem härtbaren Stahl.

In Fig. 2 ist eine Vorderansicht der Kurbelwelle mit einem Wellenzapfen 5, einer Kurbelwange 2 und einem gehärtetem Bereich 4 dargestellt. Der Winkelsektor a liegt symmetrisch zur Achse 2a der Wange 2. Nur innerhalb des zur Wange 2 weisenden Winkelsektors a erfolgt eine Härtung. Der Winkelsektor a liegt in einem Bereich zwischen 30 und 150 , vorzugsweise in einem Bereich zwischen 60 und 120 .

In Fig. 3 ist eine vergrösserte Darstellung der Seitenansicht aus Fig. 1 mit Kurbelwange 2, Wellenzapfen 5, gedachter Drehachse 6 der Kurbelwelle ersichtlich. Der gehärtete Teilbereich 4 ist zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen ausschliesslich, im abgerundeten Übergangsbereich 3' angeordnet.

In Fig. 4 ist eine schematische Anordnung der Härtepunkte in einem gehärteten Bereich 4 ersichtlich. Der Rand des zu härtenden Bereiches 4 weist in einer ebenen Abwicklung einen im Wesentlichen polygonalen oder ellipsenförmigen Verlauf auf. Das Verhältnis von Ausdehnung d eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand s des nächstliegenden Teilbereiches definierte Dichte d/s liegt für zumindest einen Teil des zu härtenden Bereiches 4, vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2,0 mm.

Die als Verhältnis von Ausdehnung d eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand s des nächstliegenden Teilbereiches definierte Dichte d/s liegt für zumindest einen Teil des zu härtenden Bereiches 4, vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, in der Mitte des zu härtenden Bereiches 4 zwischen 1,0 mm und 7 mm, vorzugsweise bei 5,0 mm und nimmt nach aussen bis auf einen Wert von 0,05 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise bis 0,1 mm hin, kontinuierlich ab.

Fig. 5 zeigt eine Ansicht im Bereich der optionalen Kerbe 8, die teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs 3 und teilweise im Kurbelzapfen 1 und/oder eine Kerbe 8 teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs 3' und teilweise im Wellenzapfen 5 angeordnet ist. Die Kerbe 8 ist auf der zur gedachten Drehachse 6 der Kurbelwelle (nach innen) zeigenden Seite im Kurbelzapfen 1 angeordnet. Die Kerbe 8 weist bevorzugt in einem gedachten Schnitt durch die Kurbelwange 2 und dem Kurbelzapfen 1, vorzugsweise im Bereich der grössten Tiefe der Kerbe 8, im Wesentlichen die Form eines Kreisbogensegmentes 7 auf. Der Radius 9 des Kreisbogensegmentes 7 ist günstigerweise grösser als der Radius 11 des abgerundeten Überganges 3.

Die Entfernung 10 des Mittelpunktes des Kreisbogensegmentes 7 von der Kurbelwange 2 ist günstigerweise kleiner oder gleich der Summe des Radius 11des abgerundeten Überganges 3 und des halben Radius 9 des Kreisbogensegmentes 7. Durch die teilweise den abgerundeten Übergang 3 und/oder 3' überdeckende Anordnung der Kerbe 8 befindet sich diese nahe genug am kritischen Übergangsradius,

sodass durch sie die Oberfläche lokal vergrössert wird und Dehnungen übernommen werden können. Durch diese Massnahme wird der Kraftfluss verbessert, die lokalen Spannungen werden reduziert, ohne dass dies eine funktionelle Änderung bzw. Beeinträchtigung der Kurbelwelle nach sich ziehen würde.

In Fig. 6 ist eine schematische Anordnung der Härtepunkte dargestellt. Dabei ist die Ausdehnung d die grösste Querabmessung eines vorzugsweisen konvexen Teilbereiches (#Härtepunktes").

Abstand s ist der Abstand eines bestimmten Härtepunktes zum nächstliegenden Härtepunkt.

Anschliessend wird noch darauf hingewiesen, dass günstigerweise an jedem abgerundeten Übergang 3, 3' der Kurbelwelle ein zu härtender Bereich 4, 4' angeordnet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können zusätzlich andere Härteverfahren, wie Rollieren, Hämmern und/oder Kugelstrahlen eingesetzt werden. Natürlich können auch andere Werkstücke als Kurbelwellen gehärtet werden.

PATENTANSPRÜCHE:
1. Werkstück, insbesondere Kurbelwelle, dessen Oberfläche in einem zu härtenden Bereich (4, 4') mehrere voneinander beabstandete, gehärtete, vorzugsweise lasergehärtete Teilbe- reiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten, vor- zugsweise im Wesentlichen punktförmigen Teilbereiche über den zu härtenden Bereich (4, 4') variiert.

Claims

2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s) der gehärte- ten, vorzugsweise im Wesentlichen punktförmigen Teilbereiche über den zu härtenden Be- reich (4,4') variiert.

3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verhältnis von Ausdehnung (d) eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbereiches definierte Dichte d/s für zumindest einen Teil des zu härtenden Bereiches (4, 4'), vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, zwischen 0,1 und 5,0 liegt.

4. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verhältnis von Ausdehnung (d) eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbereiches definierte Dichte d/s für zumindest einen Teil des zu här- tenden Bereiches (4,4'), vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, zum Rand des zu härtenden Bereiches (4,4') hin abnimmt.

5. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- dehnung (d) der gehärteten Teilbereiche zum Rand hin abnimmt.

6. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- dehnung (d) der gehärteten Teilbereiche zwischen 0,1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwi- schen 0,5 mm und 2,0 mm liegt.

7. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des zu härtenden Bereiches (4, 4') in einer ebenen Abwicklung einen im Wesentlichen po- lygonalen oder ellipsenförmigen Verlauf aufweist.

8. Kurbelwelle, mit mindestens einem Zapfen (1) und mindestens einer Wange (2) und mit einem abgerundeten Übergangsbereich (3, 3') zwischen Zapfen (1) und Wange (2), nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Teilbereiche zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen ausschliesslich, im abgerundeten Übergangsbereich (3,3') angeordnet sind.

9. Kurbelwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verhältnis von Aus- dehnung (d) eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbe- reiches definierte Dichte d/s für zumindest einen Teil des zu härtenden Bereiches, vor- zugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, in der Mitte des zu härtenden Bereichs zwischen 1 und 7, vorzugsweise bei 5,0, liegt und nach aussen bis auf einen Wert von 0,05 bis 3, vorzugsweise bis 0,1 hin, kontinuierlich abnimmt.

10. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur in- nerhalb eines zur Wange (2) weisenden Winkelsektors a eine Härtung erfolgt. <Desc/Clms Page number 4>

11. Kurbelwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsektor a in einem Bereich zwischen 30 und 150 , vorzugsweise in einem Bereich zwischen 60 und 120 liegt.

12. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsektor a symmetrisch zur Achse (2a) der Wange (2) liegt.

13. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlastungskerbe (8) teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs (3, 3') und teilwei- se im Kurbelzapfen (1 ) und/oder eine Entlastungskerbe (8) teilweise im Bereich des abge- rundeten Übergangs (3, 3') und teilweise im Wellenzapfen (5) angeordnet ist.

14. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial aus einem härtbaren Stahl besteht.