DE102004026263B4

DE102004026263B4 - Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102004026263B4
Application number: DE102004026263A
Authority: DE
Inventors: Georg Toplack
Original assignee: GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Current assignee: Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2024-05-29
Also published as: CA2469961A1; AT412666B; ATA8652003A; DE102004026263A1; US20040244529A1

Abstract

Kurbelwelle deren Oberfläche in einem zu härtenden Bereich mehrere voneinander beabstandete, gehärtete Teilbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurbelwelle deren Oberfläche in einem zu härtenden Bereich mehrere voneinander beabstandete, gehärtete Teilbereiche aufweist.
Kurbelwellen die das Herzstück einer jeden Hubkolbenmaschine darstellen, sind hoch belastete Teile und müssen daher dauertest 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.

So ist es aus der DE 100 59 693 A1 zum Beispiel für eine Kugelkupplung bekannt, deren Oberfläche in einem zu härtenden Bereich mit mehreren voneinander beabstandeten, lasergehärteten Teilbereichen zu versehen, wobei die Ausdehnung der gehärteten punktförmigen Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.

Aus der DE 198 26 508 A1 ist eine Sattelplatte für einen Auflieger bekannt, deren Oberfläche in einem zu härtenden Bereich mehrere voneinander beanstandete, lasergehärtete Teilbereiche aufweist, wobei die Ausdehnung der gehärteten Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.

Aus der DD 291717 A5 ist ein Verfahren zum Laserhärten bekannt, mit dem je nach Punktrasterabstand und Strahldurchmesser isolierte Bestrahlungszonen innerhalb eines Ablenkfeldes erzielbar sind. Dabei werden Laserimpulse entlang eines Punktrasters mit einer von Punkt zu Punkt einstellbaren Pulsenergie eingebracht.

Aus der DE 198 39 181 A1 ist ein Verfahren zum Verfestigen von Radienübergängen an Kurbelwellen mittels laserinduzierten Schockwellen bekannt.

Aus der JP 59-89722 A ist eine Kurbelwelle bekannt, deren Übergänge zwischen Kurbelwangen und Zapfen lasergehärtet sind.

Aus der DE 22 09 945 A ist eine Kurbelwelle bekannt, deren Übergänge zwischen Kurbelwangen und Lagerzapfen als Freistiche ausgebildet sind, wobei die Übergänge im Überlappungsbereich zweier benachbarter Lagerzapfen gehärtet sind.

Aus der DE 196 26 008 A1 ist es bereits bekannt, die Oberflächen von Bauteilen für den Motorenbau mit einer diskontinuierlichen Härteschicht zu versehen, welche geometrisch unregelmäßig angeordnete Härtezonen umfasst. Die Abbildung 3 dieser Schrift zeigt Teilbereiche mit geringfügig variierender Ausdehnung.

Zum Stand der Technik gehört 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 bekannt. Im Weiteren ist es gemäß dem Stand der Technik bereits bekannt, den Abstand der Härtepunkte zueinander innerhalb der Matrix zu verändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kurbelwelle mit höherer Dauerwechselfestigkeit zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ausdehnung der gehärteten Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.

Mit anderen Worten ist die Größe der Härtepunkte ungleichmäßig. Dabei kann vorgesehen sein, dass die gehärteten Teilbereiche im Wesentlichen punktförmig sind. Bevorzugt ist, dass die voneinander beabstandeten gehärteten Teilbereiche lasergehärtet sind. In diesem Zusammenhang ist vorteilhafterweise auch 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 Kurbelwellen, 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 α 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 Verbrennungsmotaren, 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:
1 eine schematische Seitenansicht eines Teils einer Kurbelwelle,
2 eine schematische Vorderansicht der Kurbelwelle,
3 eine vergrößerte Seitendetailansicht der Kurbelweile,
4 eine schematische Darstellung des gehärteten Bereichs,
5 eine schematische Darstellung einer optionalen Entlastungskerbe, und
6 eine schematische Anordnung der Härtepunkte zur Definition von Abstand s und Ausdehnung d.
In 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 2 ist eine Vorderansicht der Kurbelwelle mit einem Wellenzapfen 5, einer Kurbelwange 2 und einem gehärtetem Bereich 4 dargestellt. Der Winkelsektor α liegt symmetrisch zur Achse 2a der Wange 2. Nur innerhalb des zur Wange 2 weisenden Winkelsektors α erfolgt eine Härtung. Der Winkelsektor α liegt in einem Bereich zwischen 30° und 150°, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 60° und 120°.
In 3 ist eine vergrößerte Darstellung der Seitenansicht aus 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 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.
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 11 des 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 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.

Claims

Kurbelwelle deren Oberfläche in einem zu härtenden Bereich mehrere voneinander beabstandete, gehärtete Teilbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s) der gehärteten Teilbereiche über den zu härtenden Bereich variiert.
Kurbelwelle 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 oder für alle gehärteten Teilbereiche, zwischen 0,1 und 5,0 liegt.
Kurbelwelle 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 härtenden Bereiches oder für alle gehärteten Teilbereiche, zum Rand des zu härtenden Bereiches hin abnimmt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereiche zum Rand hin abnimmt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereiche zwischen 0,1 mm und 5 mm oder zwischen 0,5 mm und 2,0 mm liegt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des zu härtenden Bereiches in einer ebenen Abwicklung einen polygonalen oder ellipsenförmigen Verlauf aufweist.
Kurbelweile, mit mindestens einem Zapfen und mindestens einer Wange und mit einem abgerundeten Übergangsbereich zwischen Zapfen und Wange, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Teilbereiche zumindest teilweise im abgerundeten Übergangsbereich (3, 3') angeordnet sind.
Kurbelwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Teilbereiche ausschließlich im abgerundeten Übergangsbereich (3, 3') angeordnet sind.
Kurbelwelle nach Anspruch 8 oder 9, 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 in der Mitte des zu härtenden Bereichs zwischen 1 und 7 liegt und nach außen bis auf einen Wert von 0,05 bis 3 hin kontinuierlich abnimmt.
Kurbelwelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verhältnis von Ausdehnung (d) eines gehärteten Teilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbereiches definierte Dichte d/s für alle gehärteten Teilbereiche in der Mitte des zu härtenden Bereichs zwischen 1 und 7 liegt und nach außen bis auf einen Wert von 0,05 bis 3 hin kontinuierlich abnimmt.
Kurbelwelle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte d/s in der Mitte des zu härtenden Bereichs bei 5,0 liegt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte d/s nach außen bis auf einen Wert zwischen 0,05 und 0,1 hin kontinuierlich abnimmt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nur innerhalb eines zur Wange (2) weisenden Winkelsektors α eine Härtung erfolgt.
Kurbelwelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsektor α in einem Bereich zwischen 30° und 150° liegt.
Kurbelwelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsektor α in einem Bereich zwischen 60° und 120° liegt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsektor α symmetrisch zur Achse (2a) der Wange (2) liegt.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlastungskerbe (8) teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs (3, 3') und teilweise im Kurbelzapfen (1) und/oder eine Entlastungskerbe (8) teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs (3, 3') und teilweise im Wellenzapfen (5) angeordnet ist.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial aus einem härtbaren Stahl besteht.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander beabstandeten, gehärteten Teilbereiche lasergehärtet sind.