Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen aus Einzelstücken mittels Abbrennstumpfschweissung, sowie durch das Verfahren hergestellte Kurbelwelle Es sind bereits mehrere Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen aus Einzelstücken bekannt. Die Einzelstücke bestehen dabei beispielsweise aus einer Kurbelwange, an die beiderseitig Kurbel- bzw. Lagerzapfen angesetzt sind. Die Verbindung der Einzelstücke zur Kurbelwelle kann dabei auf unter schiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Ver schraubung der Kurbelzapfenabschnitte, wobei diese gegen Verdrehung gegeneinander durch Verzahnung gesichert sein können oder aber eine Hülse mit Innen verzahnung die Zapfenabschnitte übergreift; die Innenverzahnung verhindert dabei ebenfalls die gegen seitige Verdrehung der Kurbelzapfen.
Bei anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Kurbel wellen bestehen die Einzelstücke nicht aus Kurbel wangen mit Zapfenabschnitten, sondern es werden bei Zusammenbau der Welle durchgehende Zapfen mit den Kurbelwangen durch Passung oder Klemmung vereinigt. Um Kurbelwellen mit gebrochenen Zapfen wieder verwendungsfähig machen zu können, hat man auch schon die Kurbelzapfenteile des gebrochenen Zapfens abgedreht und durch eine gemeinsame Buchse verbunden. Schliesslich ist es bei Verfahren zur Kur belwellenherstellung bekannt, die Einzelstücke durch Abbrennstumpfschweissung zu vereinigen.
Infolge des ständigen Bestrebens der Motoren technik, die spezifischen Leistungen von Brennkraft- maschinen, insbesondere durch verstärkte Aufladung zu erhöhen, werden nun auch die spezifischen Be anspruchungen, die auf das Triebwerk entfallen, immer grösser. Das führt besonders bei schnellau fenden Motoren zu der Forderung, die Laufflächen der Lagerzapfen aus verschleissfesten Werkstoffen zu bilden, während beispielsweise von der Kurbelwelle des Motors als Ganzes eine hohe Elastizität verlangt wird. Was für die Kurbelwelle ausgeführt worden ist, gilt sinngemäss für die Kurbelscheiben-, Nocken-, Nockenscheibenwellen oder ähnliche.
Es sind bereits eine Reihe von Verfahren bekannt geworden, um die die Lagerstellen der Welle bildenden Lagerzapfen mit einer verschleissfesten Oberfläche zu versehen. In Betracht kommen beispielsweise Ober flächenhärtung der Lagerstellen sowie das Aufbringen von harten Metallschichten durch galvanisches Nieder schlagen, durch Spritzverfahren oder ähnliche Ober flächenveredelungen.
Die Oberflächenhärtung führt jedoch zu ungün stigen Spannungsverhältnissen, so dass die Dauer standsfestigkeit der Welle wesentlich herabgesetzt wird. Nimmt man die Oberflächenhärtung durch Nitrierung vor, so ergeben sich aus der geringen Schichtstärke Nachteile. Insbesondere ist eine nachträgliche Bearbeitung der Lagerstellen infolge der geringen Dicke der Ver schleissschicht, die im allgemeinen nur wenige hun- dertstel Millimeter beträgt, schwierig oder ausgeschlos sen, während andererseits diese Bearbeitung aus Justie- rungsgründen unerlässlich ist.
Auch sind Nachbearbei tungen nach Ablauf einer gewissen Betriebszeit nicht mehr möglich. Schliesslich sind bei der wissenschaft lichen Behandlung der bei der Nitrierung auftretenden Vorgänge Erkenntnisse in jüngster Zeit gewonnen worden, welche die Anwendung dieses Verfahrens bei der Oberflächenbehandlung hoch beanspruchterWellen nicht mehr ohne weiteres ratsam erscheinen lassen. Was für die Nitrierung ausgeführt worden ist, gilt sinngemäss für die Hartverchromung.
Das Aufspritzen von harten Metallschichten hat noch nicht den Stand erreicht und ist noch nicht so betriebssicher, dass die erforderliche Porenfreiheit und die notwendige Verankerung zwischen dem Grundwerkstoff und der Auflage gewährleistet wären.
Die bekannten Verfahren sind daher noch nicht befriedigend. Es ist somit Aufgabe vorliegender Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen und ein Ver fahren vorzuschlagen, das die dargestellten Verhält nisse grundsätzlich verbessert.
Das zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen aus Einzelstücken, die aus einer Kurbelwange und beid seitig der Kurbelwange angeordneten Kurbelzapfen bestehen, mittels Abbrennstumpfschweissung kenn zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch, dass vor der Vereinigung der Einzelstücke zur Kurbelwelle auf die einzelnen Kurbelzapfen Mantelkörper aus verschleiss- festem Werkstoff aufgezogen werden, deren äussere Begrenzungsflächen zur Bildung der Lagerflächen benutzt werden. Dem Mantelkörper kann also jede beliebige, aus wirtschaftlichen Gründen noch tragbare Dicke erteilt werden.
Man ist bei der Werkstoff auswahl für ihn unabhängig von den Eigenschaften des Grundwerkstoffes, so dass dieser lediglich mit Rücksicht auf die Erfordernisse bestimmt werden kann, die vorwiegend wegen des Verschleisses der Lagerzapfen gestellt werden müssen. Als Werkstoff für die Mantelkörper kann daher ein naturharter Stahl oder jeder andere verschleissfeste Werkstoff verwendet werden, der dem Grundwerkstoff gegenüber härter ist, jedoch gleichzeitig über die Zähigkeit ver fügt, um die während der Herstellung und dem Betrieb auftretenden Beanspruchungen aufnehmen zu können.
Im allgemeinen wird man die Mantelkörper auf zapfenförmige Ansätze von Wellenteilstücken, etwa Kurbelwangenscheiben, Nocken oder Nockenscheiben aufziehen, ohne dass andere Verbindungsmöglich keiten ausgeschlossen sind. Die erforderliche feste Verbindung wird im einfachsten Falle dadurch ge währleistet, dass man die Mantelkörper, insbesondere in Form von Mantelrohren, auf die tragenden Wellen teile aufschrumpft.
Für die Vereinigung der Wellenteilstücke zur Welle wird Abbrennstumpfschweissung verwendet. Je nach Formgebung und Beanspruchung der Welle kann die Schweissstelle dabei verschiedene Lagen einnehmen und hiernach richten sich naturgemäss die Ausbildung und Anordnung der Mantelkörper. Nach dem die einzelnen Teilstücke zur Welle zusammen gefügt sind, kann sie wie üblich fertig bearbeitet werden, wobei zwischen die einzelnen Bearbeitungs stufen die Warmbehandlungen eingeschaltet werden, die sich aus der Art des benutzten Werkstoffes er geben.
Wellen, die durch ein erfindungsgemäss vorge schlagenes Verfahren hergestellt sind, kennzeichnen sich durch Anordnung von Mantelkörpern aus ver- schleissfestem Werkstoff auf im Bereiche von Lager stellen liegenden Wellenteilen. Die Mantelkörper können dabei Begrenzungsflächen aufweisen, deren Erzeugende einen Winkel mit der Wellenlängsmittel achse oder einer Zapfenlängsmittelachse bildet. Das bedeutet, dass konische Mantelkörper auftreten, die bestimmte Vorteile gegenüber ringszylindrischen Mantelkörpern besitzen.
Die Zeichnung gibt beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgedankens wieder.
In der Zeichnung ist Fig. 1 ein senkrechter Längsschnitt durch ein zum Schweissen vorbereitetes Einzelstück einer Kurbel welle, bestehend aus der Kurbelwange und zwei an sie angesetzten Zapfenenden.
Fig. 2 gibt eine Seitenansicht auf das in Fig. 1 dargestellte Einzelstück wieder.
Fig. 3 stellt den Längsschnitt durch einen Zapfen ansatz mit aufgezogenem ringzylindrischen Mantel körper, der rohrförmig ausgebildet ist, dar.
Fig. 4 entspricht der Schnittdarstellung der Fig. 3 für den Fall, dass die Erzeugende der inneren Be grenzungsfläche des Mantelrohres einen Winkel mit der Längsmittelachse des Zapfenansatzes der Kurbel wange einschliesst.
Fig. 5 zeigt einen aus mehreren Teilstücken bestehenden Kurbelwellenabschnitt, bei dem die Schweissstellen genau mittig zu den Zapfenansätzen der Kurbelwange angeordnet sind, während in Fig. 6 in der Darstellung der Fig. 5 eine ausser- mittige Anordnung der Schweissstellen veranschaulicht ist.
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Wellen teilstück besteht aus der Kurbelwange 1 und zwei Zapfenansätzen 2, 3. Ein derartiges Kurbelwellenstück ist vorzugsweise im Gesenk geschmiedet und mit allseitigem Aufmass vorbearbeitet worden. Die Vor bearbeitung der Zapfenansätze 2, 3 ist so weitgehend vorgenommen worden, dass die vorbereiteten Mantel rohre 4, 5, die aus einem verschleissfesten Werkstoff wie naturhartem Stahl hergestellt sind, durch Schrumpfung aufgebracht werden können. Das Teil stück ist nochmals plangedreht, damit die Stirnflächen 6, 7 der Zapfenansätze genau bündig mit den äusseren Stirnflächen der Mantelrohre abschliessen.
Fig. 3 zeigt, dass die Mantelrohre 8 ringszylindrisch ausgebildet sein können, während sie in Fig. 4 infolge der Winkellage der Erzeugenden der inneren Rohr begrenzungsfläche zur Längsmittelachse der Zapfen ansätze eine konische Ausbildung haben. Dadurch entsteht der Vorteil, dass der Übergang zur Kurbel wange 1 nicht wesentlich geschwächt und ausserdem die an der Stossstelle bei der Stumpfschweissung unvermeidbare Aufwulstung in bezug auf ihre Stärke ausgeglichen werden kann.
Die Welleneinzelteile sind so verarbeitet, wie dies die Figuren 5 und 6 zeigen. Bei der Ausbildung der Fig. 5 sind die Schweissstellen in der Mitte der Zapfenansätze angeordnet, während Fig. 6 eine ausser- mittige Lage derselben zeigt. Das hat den Vorteil, dass die Schweissstelle nicht im stärkstbeanspruchten Querschnitt des späteren Lagerzapfens liegt.
Nachdem die Einzelteile der Figuren 5 und 6 gemäss den Figuren 3 und 4 mit Mantelrohren aus gerüstet sind, erfolgt die Zusammenfügung der Teile zur Welle, etwa durch Stumpfschweissung. Anschlies- send wird die Fertigbearbeitung in Verbindung mit einer sowohl auf den Grundwerkstoff als auch den Werkstoff der Mantelrohre abgestimmten Warmbe handlung durchgeführt.
Process for the production of crankshafts from individual pieces by means of flash butt welding, as well as crankshafts produced by the process There are already several methods for producing crankshafts from individual pieces. The individual pieces consist, for example, of a crank web to which crank pins or bearing pins are attached on both sides. The connection of the individual pieces to the crankshaft can be done in different ways, for example by screwing the crank pin sections, which can be secured against rotation against each other by toothing or a sleeve with internal toothing overlaps the pin sections; the internal teeth also prevent the crank pins from rotating in opposite directions.
In other known methods for producing crank shafts, the individual pieces do not consist of crank cheeks with pin sections, but continuous pins are combined with the crank cheeks by fitting or clamping when assembling the shaft. In order to be able to make crankshafts with broken pins usable again, the crank pin parts of the broken pin have already been turned off and connected by a common socket. Finally, it is known in processes for cure shaft production to combine the individual pieces by flash butt welding.
As a result of the constant endeavors of engine technology to increase the specific performance of internal combustion engines, in particular through increased supercharging, the specific stresses that are placed on the engine are now also increasing. This leads, especially in the case of Schnellau fenden engines, to the requirement to form the running surfaces of the bearing journals from wear-resistant materials, while high elasticity is required, for example, of the crankshaft of the engine as a whole. What has been done for the crankshaft applies mutatis mutandis to the crankshaft, camshaft, camshaft or similar.
A number of methods are already known for providing the bearing journals forming the bearing points of the shaft with a wear-resistant surface. For example, surface hardening of the bearing points and the application of hard metal layers by electroplating, spraying or similar surface refinements come into consideration.
However, the surface hardening leads to unfavorable stress ratios, so that the durability of the shaft is significantly reduced. If the surface is hardened by nitriding, disadvantages result from the low layer thickness. In particular, subsequent processing of the bearing points is difficult or impossible due to the small thickness of the wear layer, which is generally only a few hundredths of a millimeter, while on the other hand this processing is essential for adjustment reasons.
Post-processing is also no longer possible after a certain operating time. Finally, in the scientific treatment of the processes occurring during nitriding, findings have recently been made which make the use of this process in the surface treatment of highly stressed shafts no longer seem advisable. What has been done for nitriding applies analogously to hard chrome plating.
The spraying of hard metal layers has not yet reached the stage and is not yet so reliable that the required freedom from pores and the necessary anchoring between the base material and the support would be guaranteed.
The known processes are therefore not yet satisfactory. It is therefore an object of the present invention to eliminate these disadvantages and to propose a method that fundamentally improves the presented ratios.
The method proposed to solve this problem for the production of crankshafts from individual pieces, which consist of a crank cheek and crank pins arranged on both sides of the crank cheek, by means of flash butt welding is characterized according to the invention in that, before the individual pieces are combined to form the crankshaft, the shell body on the individual crank pins is worn - solid material are drawn up, the outer boundary surfaces of which are used to form the bearing surfaces. The casing body can therefore be given any thickness that is still acceptable for economic reasons.
The choice of material for it is independent of the properties of the base material, so that it can only be determined with regard to the requirements that have to be made mainly due to the wear and tear of the bearing journals. A naturally hard steel or any other wear-resistant material that is harder than the base material, but at the same time has the toughness to absorb the stresses occurring during manufacture and operation can therefore be used as the material for the shell body.
In general, you will pull the shell body on peg-shaped approaches of shaft sections, such as crank arm discs, cams or cam disks, without other connection possibilities are excluded. In the simplest case, the required fixed connection is ensured by shrinking the casing body, in particular in the form of casing pipes, onto the supporting shafts.
Flash butt welding is used to join the shaft sections to form the shaft. Depending on the shape and the stress on the shaft, the welding point can assume different positions and the design and arrangement of the casing bodies are of course based on this. After the individual sections are joined together to form the shaft, it can be finished as usual, with the heat treatments being switched on between the individual processing stages, which result from the type of material used.
Shafts which are produced by a method proposed according to the invention are characterized by the arrangement of casing bodies made of wear-resistant material on shaft parts located in the area of bearings. The casing body can have boundary surfaces, the generatrix of which forms an angle with the shaft longitudinal center axis or a journal longitudinal center axis. This means that conical casing bodies occur, which have certain advantages over annular cylindrical casing bodies.
The drawing shows, for example, embodiments of the inventive concept.
In the drawing, Fig. 1 is a vertical longitudinal section through a prepared for welding individual piece of a crank shaft, consisting of the crank web and two pin ends attached to them.
FIG. 2 shows a side view of the individual item shown in FIG. 1.
Fig. 3 shows the longitudinal section through a pin approach with a raised annular cylindrical casing body, which is tubular.
Fig. 4 corresponds to the sectional view of Fig. 3 for the case that the generatrix of the inner Be limiting surface of the jacket tube includes an angle with the longitudinal center axis of the pin neck of the crank cheek.
FIG. 5 shows a crankshaft section consisting of several parts, in which the welding points are arranged exactly in the center of the pin bosses of the crank web, while in FIG. 6 in the representation of FIG.
The shaft section shown in Figures 1 and 2 consists of the crank web 1 and two pin lugs 2, 3. Such a crankshaft piece is preferably die-forged and pre-machined with allowance on all sides. The prior processing of the pin lugs 2, 3 has been made so largely that the prepared casing tubes 4, 5, which are made of a wear-resistant material such as naturally hard steel, can be applied by shrinkage. The part piece is faced again so that the end faces 6, 7 of the pin lugs are exactly flush with the outer end faces of the casing pipes.
Fig. 3 shows that the jacket tubes 8 can be designed as a ring cylinder, while in Fig. 4 they have a conical design due to the angular position of the generatrix of the inner tube limiting surface to the longitudinal center axis of the pin. This has the advantage that the transition to the crank cheek 1 is not significantly weakened and also the unavoidable bulge at the butt welding can be compensated for in terms of strength.
The individual shaft parts are processed as shown in FIGS. 5 and 6. In the embodiment of FIG. 5, the welding points are arranged in the middle of the pin lugs, while FIG. 6 shows an off-center position of the same. This has the advantage that the welding point does not lie in the heavily stressed cross-section of the later bearing journal.
After the individual parts of Figures 5 and 6 according to Figures 3 and 4 have been equipped with casing pipes, the parts are joined to form the shaft, for example by butt welding. The finishing process is then carried out in conjunction with a heat treatment tailored to both the base material and the material of the casing pipes.