CN1922334A - 提高曲轴的疲劳寿命、特别是弯曲疲劳寿命及扭转疲劳寿命的方法和装置 - Google Patents

提高曲轴的疲劳寿命、特别是弯曲疲劳寿命及扭转疲劳寿命的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过局部有限制的锤击高应力区域来提高曲轴的弯曲强度及持久(疲劳)极限，所述高应力区域诸如是槽、孔口及断面过渡区，在该方法中使用了压力冲击机或具有锤打工具的锤打装置。当压缩应力被引入锤打工具与要处理的曲轴段的所述表面之间时，压力冲击机或锤打装置仅实施锤打工具对要处理的曲轴段的表面的相对运动。本发明还涉及提高曲轴的持久极限的装置。

Description

提高曲轴的疲劳寿命、特别是弯曲疲劳 寿命及扭转疲劳寿命的方法和装置
本发明涉及利用脉动压力机或敲击装置通过局部锤击高受载区域来提高曲轴、特别是大型曲轴的疲劳寿命、特别是弯曲疲劳寿命及扭转疲劳寿命的方法；所述高受载区域诸如是槽、孔口及断面连接处；所述脉动压力机或敲击装置经敲击工具把内在的压缩应力引入曲轴中。本发明还涉及提高曲轴疲劳寿命的装置。
这种形式的方法及装置已在DE 34 38 742 C2中作了描述。
为了避免局部锤击期间切向应力的有害引入，曾建议：在此情况下，在脉动压力作用于发出冲击的物体与工件表面之间的时间内，不允许发生垂直于冲击方向的相对运动。为此目的，进给应该发生在当内在的压缩应力被敲击工具引入的间隔中。
本发明的目的基于进一步改进最初提及的方法，特别是关于效率及提高疲劳寿命、尤其是弯曲疲劳寿命及扭转疲劳寿命。
根据本发明，这个目的在脉动压力装置或敲击机上实现，所述装置或机器在压缩应力被引导至敲击工具与要处理的曲轴段之间的时候，仅在垂直曲轴段的表面的平面上实施相对运动。
在根据本发明的方法的情况下，如同现有技术的情况，要极力地避免切向应力，即使如果不能完全地避免。这特别是在这种情况下：当曲轴在处理期间继续转动时，随着曲轴的旋动运动，而由敲击要处理的曲轴段的敲击工具引入的内在的压缩应力在敲击工具作用在曲轴上的期间内，所述通过敲击的引入被停止。
为了实现这点，可提供本发明的一种高度有益的改进，在敲击工具的作用期间内，敲击压力要这样选择：需要停止曲轴的旋转运动。
与现有技术相反，所述方法可以这种方式来实施：由于曲轴的继续驱动，因此造成有可能以恰当的简单方式去构造根据本发明的装置。
为此目的，所需的一切是这样选择敲击频率和敲击压力或敲击力：使得曲轴的转动驱动和与它有关的部件，诸如传动装置，无损害地产生施加的“强制停止”。
在实践中，整个驱动系统通过“强制停止”就像弹簧一样被施压，然后这个弹簧再被卸载，而相应地曲轴再进行旋转运动。
在实践中，已发现有利的敲击频率在0.1-20Hz之间，较好是在1-10Hz之间，而甚至更好是在3-6Hz之间。根据操作情况，敲击压力应在10-300bar之间，较好是在30-130bar之间，而甚至更好是在50-120bar之间。
上面提及的值可在实践中优化地实施根据本发明的方法。
待处理的曲轴段的区域的温度应不高于65℃，较好是在12°-25℃数值之间。
根据本发明的方法还可应用于利用其它方法先前已处理过的曲轴，所述其它方法用于提高它们的疲劳寿命特性。例如，对已通过感应淬硬处理过的曲轴，也可能应用根据本发明的方法通过引入内在的压缩应力，在往后再提高其弯曲疲劳寿命和疲劳寿命。
在实践中，曾发现：通过经由通常是球形的敲击工具引入内在的压缩应力，由于材料的模数，甚至也有可能在无载荷下形成表面裂纹。通常，这些裂纹不会有任何进一步的扩张，而在疲劳寿命特性上也不严重，虽然它们至少是有碍于外观印象。在本发明的一项改进中，一旦内在的压缩应力已经由敲击工具引入，通过把要处理的曲轴段的表面切削去，由此就可能造成靠近表面的内在的压缩应力被减小，和使所述表面上的变形裂纹被除去。因此就可能形成内在的压缩应力接近所述表面。
由于内在的压缩应力可被引入15mm的深度或甚至更深，这意味着：在所述表面区域的几毫米材料可能被去除，例如0.3-2mm，较好是0.5mm，而对于曲轴的弯曲疲劳寿命或疲劳寿命没有不良作用。
可用各种方法去除所述表面，例如利用磨削、车削或铣削。
特别是在大型曲轴的情况下，所谓的垂曲线形状经常被选用于槽半径。经常希望的是非常大的连接半径，以便保持载荷应力相对地低，同时另一方面，对运行表面的连接处希望的是相对小的半径，以便获得尽可能广范围的工作(运行)表面。
然而，在过去，在实践中以技术上很好的方式把内在的压缩应力引入垂曲线形状方面曾是有问题的。
为了解决这个问题，本发明的一个改进现在建议：在要处理的曲轴段的一种改善中，而它是垂曲线形的，初始轮廓形式的连续连接半径，通过经敲击工具引入的内在的压缩应力而被压缩，并且然后通过从所述表面去除材料的方法，使所述连接半径被加工成所要求的垂曲线形状的最终轮廓。
这意味着提供了初始的轮廓，它具有对应于大的连接半径的连续的连接半径。这个半径通过用敲击工具的冲击强化而被压缩，而后连接半径被加工至所要求的垂曲线形的最终轮廓，它具有相应地大的连接半径，而对于工作(运行)表面连接处具有相当小的半径。
这个处理可用与为克服或避免裂纹而采取的表面处理相同的方法来实施，例如通过磨削、车削或铣削。
作为这个处理的替代，有可能造成：要被加工至和处于垂曲线形状的曲轴段的一种改善中，敲击工具的垂曲线形状被构成于在曲轴纵向延伸的平面上，同时，例如圆球形状被构成于垂直所述纵向的平面上。
因此诸如这样的敲击工具，它在敲击区域中不再具有正常的圆球形状，允许轮廓形状在一个工序中被压缩，并可由此产生所述轮廓形状而不用另外的切削。
作为替代每台敲击机上的两个敲击工具，也可能提供脉动压力装置或敲击机，它们每个在敲击方向上与它们的纵轴线对准，而在每种情况下，仅通过一个敲击工具使内在的压缩应力被引入，所述一个敲击工具被布置在相关的脉动压力装置或敲击机中。
这个改善导致与曲轴段的线接触，所述曲轴段是所有敲击区域中留下要被处理的。
根据本发明的方法不仅可用于提高曲轴的弯曲疲劳寿命及疲劳寿命，而且还可以有利的方式调直细长的部件，特别是曲轴的细长部件。在这个过程中，内在的压缩应力以局部限定的方式通过根据本发明的方法应用敲击工具而被引入，以便使相应地弯曲的曲轴变直。为此目的，需要各敲击工具仅布置在合适的各点上。与已知的调直方法相反，根据本发明的这个方法对疲劳寿命没有不利作用。相反，根据本发明的这个方法的一个副作用是：甚至对曲轴或细长部件的疲劳寿命具有有利的影响。
虽然已经描述了根据本发明的处理曲轴方法，它原则上也适用于其它细长的部件，诸如压缩机轴、偏心轴或交叉连接轴。原则上，本发明涉及受到特殊动态载荷的所有部件。
在下文中将参考附图从原理上描述本发明的示例性实施例，其中：
图1显示实施本方法的装置的总体视图；
图2显示脉动压力机，放大地图释图1的细部“A”；
图3显示贯穿曲轴III-III部分的剖视图，以便在轴向图释图2所示的脉动压力机；
图4显示具有垂曲线形状的敲击工具的侧视图；
图5显示敲击工具的轴向(图4中箭头A的方向)视图；和
图6显示仅具有一个敲击工具的脉动压力机的细节。
原则上，图1中图释的总体视图的装置的结构对应于根据DE 34 38742 C2的装置的结构，后者具有多个脉动压力机1，为此理由，下文中将仅更详细地描述主要部件及与现有技术的差别。
所述装置具有机座2和带有传动装置3′的齿轮箱3，为了使工件、特别是曲轴4转动。曲轴4被夹持在支承5中，使得它能在远离齿轮箱3及传动装置3′的端部处转动。
驱动器6保证经传动装置3′使曲轴4连续地转动，曲轴4被夹持在卡盘7中。
在下文中描述的每台脉动压力机1(附图中图释了两个)在移动及调节装置9中保持是可调节的，以便使它们与曲轴4的位置及长度相匹配。
在图2中更详细地图释了脉动压力机1的结构。这台机器具有座体10，座体10设置有对应于要处理的曲轴段的半径的棱形触头11，并在其内具有导向件12，由于要求与曲轴4的尺寸关系相匹配，导向件12在它们的支承平面上带有两个砧块13，并在该支承角度内赋予它们绕螺栓15转动的相应自由度。在两个砧块13中的每一个的前端处布置有球作为敲击工具14。中间件16提供了敲击活塞17与螺栓15之间的连接，螺栓15把冲击能量传至砧决13。
为了提高冲击的效率，加压的棱柱体18利用可调节的拧紧螺栓20和拧紧螺母21可经弹簧19安装在座体10的对置面上。
需要的话，沿中心运行和如果合适沿偏心运行的所有区域，都可通过在待处理的曲轴4的长度上布置多台脉动压力机1，被同时处理。
驱动器6及传动装置3′被构造成这样：它们产生曲轴4的连续旋转运动。然而，敲击工具14一敲击曲轴4，所述旋转运动就被强制中断，而因为敲击工具14敲击期间的高冲击强度，曲轴4被停止转动。这明显地引致在传动装置3′中产生应力，但由于互相作用过程中特殊的传动耦合和特殊地匹配的传动作用，这不会导致损害。所述工作较好是在敲击频率为3-6Hz及压力为50-120bar时实施。
为防止或避免裂纹，如果要求，曲轴4也可应用磨削、铣削或车削工具从被处理的曲轴段上去除深度达到1.5mm的材料。
图4及5显示敲击工具14′，它是垂曲线形的，从在垂曲线形状中增强半径连接(radii junction)，如能看到的，敲击工具14′在曲轴4的纵向具有两个不同的半径；特别是较大的半径Ry，例如17mm的半径，和较小的半径Rx，例如8mm的半径。较小的半径Rx代表连接至工作(运行)表面的连接半径。如可从图5看到的，敲击工具14′在敲击工具14′的垂曲线形状的垂直方向上，就是说相对于曲轴4的纵向轴线横向具有球半径Rz。
图6显示脉动压力机1′，它仅设置有一个敲击工具14。在此情况下，脉动压力机1′被布置得相对曲轴4倾斜，确切地说是处于这种方式：与脉动压力机1′的纵轴线同轴线设置的敲击工具14垂直地敲击待处理的曲轴段的区域。在此情况下，虽然在每种情况下仅处理一个曲轴段，但另一方面为此目的，脉动压力机1的结构构造及力的传动都较好及较简单。此外，这种工具允许孔端部在垂直方向被增强。
已发现这种改善应用于非对称的曲轴段，诸如端部区域及油孔端部，特别有益；然而，它也可被用在其它的部件上，特别是内在的压缩应力不能被对称地引入的压段。

Claims (20)

1.一种利用脉动压力机或敲击装置通过局部敲击高受载区域来提高曲轴、特别是大型曲轴的疲劳寿命、特别是弯曲疲劳寿命及扭转疲劳寿命的方法，所述高受载区域诸如是槽、孔口及断面连接处，所述脉动压力机或敲击装置经敲击工具把内在的压缩应力引入曲轴，
其特征在于：
当压缩应力被引入敲击工具(14)和待处理的曲轴段之间时，脉动压力装置或敲击机(1)仅在垂直于曲轴段表面的平面上实施相对运动，在处理期间曲轴继续转动；敲击工具(14)起作用的期间和敲击压力被选择成这样：当敲击工具(14)敲击待处理的曲轴段同时内在的压缩应力被引入时，需要停止曲轴(4)的旋转运动。
2.如权利要求1中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的敲击频率在0.1-20Hz之间。
3.如权利要求2中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的敲击频率在1-10Hz之间。
4.如权利要求3中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的敲击频率在3-6Hz之间。
5.如权利要求1中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的敲击压力在10-300bar之间。
6.如权利要求5中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的敲击压力在30-130bar之间。
7.如权利要求6中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的敲击压力在50-110bar之间。
8.如权利要求1-7中一项所要求的方法，其特征在于：待处理的曲轴段的区域的温度小于65℃。
9.如权利要求8中所要求的方法，其特征在于：待处理的曲轴段的区域的温度在12°-25℃之间。
10.如权利要求1中所要求的方法，其特征在于：利用敲击工具(14)把内在的压缩应力引入曲轴(4)上，所述曲轴(4)已预先用于提高疲劳寿命特性的方法处理过。
11.如权利要求10中所要求的方法，其特征在于：在曲轴(4)的感应硬化之后，通过敲击工具(14)把内在的压缩应力引入。
12.如权利要求1-11中一项所要求的方法，其特征在于：一旦内在的压缩应力已通过敲击工具而被引入，靠近表面的内在的压缩应力通过切削待处理的曲轴段的表面而被减小。
13.如权利要求12中所要求的方法，其特征在于：高达3mm的被处理曲轴段的表面被去除。
14.如权利要求13中所要求的方法，其特征在于：0.3-2mm之间的被处理曲轴段的表面被去除。
15.如权利要求12、13或14中所要求的方法，其特征在于：所述去除通过磨削、车削或铣削来实施。
16.如权利要求1-15中一项所要求的方法，其特征在于：待处理的曲轴段的一种改进中，所述曲轴段是垂曲线形的，原始轮廓形的连续连接半径通过经由敲击工具(14′)引入内在的压缩应力而被压缩，然后所述连接半径通过用于从表面去除材料的方法被处理成所要求的最终轮廓，如垂曲线形状。
17.如权利要求1-16中一项所要求的方法，其特征在于：在待处理的垂曲线形曲轴段的一种改进中，敲击工具(14)设置有所要求的垂曲线形状。
18.如权利要求17中所要求的方法，其特征在于：敲击工具(14)的垂曲线形状在沿曲轴(4)的纵向延伸的平面上形成，而球形状在与所述纵向垂直的平面上形成。
19.如权利要求1-18中一项所要求的方法，其特征在于：每台脉动压力装置或敲击机(1)在敲击方向上与它们的纵轴线对准，在每种情况下内在的压缩应力仅由一个敲击工具(14)引入，敲击工具(14)布置在相关的脉动压力装置或敲击机(1)中。
20.利用脉动压力机或敲击装置来实施如权利要求1-19所要求的方法的装置，所述脉动压力机设置有敲击工具和使曲轴转动的传动装置，
其特征在于：
传动装置(3′)设有使曲轴(4)连续转动的驱动器(6)，在此情况下，驱动系统可以以支在弹簧上的方式受压。
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