DE102005032185B4

DE102005032185B4 - Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen

Info

Publication number: DE102005032185B4
Application number: DE102005032185.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Reim; Werner Hüttig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-07-09
Filing date: 2005-07-09
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2025-07-10
Also published as: DE102005032185A1

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle (1), wobei an den Übergangsradien (20) zwischen Kurbelwange und Hubzapfen (18) mittels zumindest eines Verfestigungswerkzeuges in definierte Bereiche der Übergangsradien (20) Druck eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Bereiche abhängig von der erforderlichen Bauteilfestigkeit vor dem Einbringen des Druckes in die Übergangsradien (20) ermittelt und festgelegt werden und der Druck partiell in die definierten Bereiche zumindest eines Übergangsradius (20) bei gleichzeitigem Einwirken eines Gegendrucks eingebracht wird, wobei der Druck und der Gegendruck mittels einer zangenartigen Vorrichtung (28) eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle, wobei an den Übergangsradien zwischen Kurbelwange und Hubzapfen Druck eingebracht wird.
Um die dynamische Beanspruchbarkeit einer Kurbelwelle zu erhöhen, werden diese an den Übergangsradien festgewalzt. Dabei werden Festwalzrollen mit definierter Kraft in die Übergangsradien gedrückt, welche durch die Kurbelwange und dem Hubzapfen gebildet werden. Durch das Eindrücken der Festwalzrollen entsteht eine plastische Verformung zwischen dem Übergang und es werden auf diese Weise Druckspannungen in die Kurbelwelle eingebracht, welche die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöhen. Dabei wird die Kurbelwelle über 360° festgewalzt. Dieses Verfahren hat die Folge, dass die Wangen aufklappen und die Kurbelwelle sich stark in ihrer Geometrie verändert, wodurch ein Nacharbeiten nötig wird. Ferner ist der Verschleiß der Walzen bei diesem Verfahren hoch, was eine Erhöhung der Betriebskosten zur Folge hat.
Aus DE 195 16 834 A1 ist eine Walzvorrichtung zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in einem Bauteil bekannt, beispielsweise zur Erzeugung von Druckeigenspannung in den seitlichen Wandungen eines Bauteils. Ferner ist die Verwendung der Walzvorrichtung zur Oberflächenbearbeitung beschrieben.
Aus GB 1 442 344 A ist ein Verfahren zum Härten und Verrunden der Übergangsradien zwischen Kurbelwange und Hubzapfen durch Beaufschlagung eines zweiteiligen, halbkreisförmigen Werkzeuges mit Druck, bekannt. Dabei dient eine Hälfte des Werkzeuges als Auflage für die Kurbelwelle, mit der anderen Hälfte wird durch eine speziell ausgebildete Werkzeugform gezielt Druck in die Bereiche der Übergangsradien eingebracht.
EP 0 215 179 A2 beschreibt eine Festwalzmaschine bzw. Glattwalzmaschine, die eine zangenartige Vorrichtung mit mehreren beweglichen Walzgeräten umfassen kann. Die Walzgeräte können ein Walzelement und ein gegenüberliegendes Stützelement umfassen, die zum Einbringen von Druck auf Flächen eingesetzt werden, die exzentrisch an einem Werkstück angeordnet sind. Bei diesen Maschinen kann jedes bewegliche Walzgerät vom Werkstück mitbewegt werden.
DE 34 38 742 C2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Großkurbelwellen durch örtlich begrenztes Hämmern in am höchsten beanspruchten Bereichen, wie Hohlkehlen, Bohrungsmündungen und Querschnittsübergängen.
Aus DE 197 40 290 B4 ist ein Verfahren zum Festwalzen der Oberfläche von Bauteilen bekannt, welche im Betrieb auf Biegung oder Umlaufbiegung beansprucht werden. An besonders hoch beanspruchten Stellen wie Übergangsradien wird das Bauteil durch eine Walzrolle mit einer der hoch beanspruchten Stelle angepassten Profilierung unter Aufbringung von Druck gewalzt. Dabei wird während der Festwalzbearbeitung eine äußere Last derart aufgebracht, dass das Bauteil an den durch Festwalzen zu bearbeitenden Stellen unter elastischer Vorspannung steht.
DE 10 2004 008 728 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Steigerung der Biegewechsel- und Dauerschwingfestigkeit von Kurbelwellen durch örtlich begrenztes Hämmern in hoch beanspruchten Bereichen wie Hohlkehlen, Bohrungsmündungen und Querschnittsübergängen. Die Bearbeitung wird mittels Druckimpulsmaschinen oder Schlagvorrichtungen mit Schlagwerkzeugen durchgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einbringen von Druck an den Übergangsradien einer Kurbelwelle bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bereits mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle sieht vor, dass an den Übergangsradien zwischen Kurbelwange und Hubzapfen mittels zumindest eines Verfestigungswerkzeuges in definierte Bereiche der Übergangsradien Druck eingebracht wird, wobei die definierten Bereiche abhängig von der erforderlichen Bauteilfestigkeit vor dem Einbringen des Druckes in die Übergangsradien ermittelt und festgelegt werden und sieht vor, dass der Druck bei gleichzeitigem Einwirken eines Gegendrucks mittels einer zangenartigen Vorrichtung partiell in die definierten Bereiche des Übergangsradius eingebracht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, dass auf einfache Weise die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöht werden kann. Dazu wird am Übergangsradius der Kurbelwelle, der zwischen der Kurbelwange und Hubzapfen gebildet wird, partiell Druck eingebracht. Hierbei ist es nicht mehr notwendig den Druck mit einer Beaufschlagung von 360° einzubringen, sondern es hat sich gezeigt, dass es bereits ausreicht, wenn der Druck nur partiell, also nur in bestimmte Abschnitte der Übergangsradien, eingebracht wird. Dazu wird der Druck mittels der Verfestigungswerkzeuge unter gleichzeitiger Erzeugung eines Gegendrucks in den Übergangradius eingebracht.
Durch ein derartiges Verfahren wird erreicht, dass die Geometrie der Kurbelwelle sich wesentlich geringer verformt, und somit ein Nacharbeiten verringert wird. Der Fertigungsaufwand wird dadurch stark reduziert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass als Verfestigungswerkzeug zumindest eine Druckrolle zum Erzeugen von Druck und zumindest eine Stützrolle zum Erzeugen von Gegendruck verwendet werden. Diese Werkzeuge sind einfach in der Handhabung und ermöglichen somit ein einfaches Einbringen von Druck in die Übergangsradien.
Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausgestaltungsform vor, dass der Druck maschinell eingebracht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, dass die Kurbelwelle maximal um 180° um ihre Drehachse gedreht werden muss. Dabei wird die Kurbelwelle in eine Vorzentrierung beweglich eingespannt und maximal um 180° um ihre Drehachse nach links oder rechts segmentweise gedreht. Es wird dadurch ermöglicht, dass der Druck in die definierten Bereiche eingebracht wird.
Da der Druck und der Gegendruck mittels einer zangenartigen Vorrichtung eingebracht wird, können der Druck und der Gegendruck einfach über den gesamten Übergangsradius partiell eingebracht werden. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die zangenartige Einrichtung in drei senkrecht zueinander verlaufenden Achsen beweglich ist, so dass die zangenartige Einrichtung senkrecht zu Kurbelwellenachse in zwei Richtungen und entlang der Achse der Kurbelwelle bewegt werden kann. Die zangenartige Einrichtung wird beim Drehen der Kurbelwelle um ihre Achse mitgeführt und kann an jeder Stelle des Übergangradius diesen mit Druck beaufschlagen.
Der Druck wird mittels der zangenartigen Vorrichtung für jeden Übergangsradius vorzugsweise einzeln eingebracht. Die Kurbelwelle bleibt dabei in der Vorzentrierung eingespannt und die zangenartige Vorrichtung wird an den nächsten Übergangsradius geführt, um diesen mit Druck zu beaufschlagen.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine in eine Vorzentrierung eingespannte Kurbelwelle in der Seitenansicht zum Beaufschlagen von Druck mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt,
3 eine in eine Vorzentrierung eingespannte Kurbelwelle in der Seitenansicht zu Beaufschlagen von Druck mittels Stempel.
1 zeigt eine Kurbelwelle 1, welche in eine Vorzentrierung 14 eingespannt ist, von der Seite. Die dargestellte Kurbelwelle 1 weist die Lagerzapfen 10a, 10b, 10c mit einer gemeinsamen Drehachse 12 und zwei Hubzapfen 18a und 18b auf. Am Übergang vom Hubzapfen 18a und 18b zu den Kurbelwangen 16 befinden sich die Übergangsradien 20.
Die Kurbelwelle 1 ist derart in die Vorzentrierung 14 eingespannt, dass sie um ihre eigene Drehachse 12 gedreht werden kann. Die Drehung kann dabei in beide Richtungen erfolgen, also links oder rechts um die Drehachse 12.
Um nun Druck in einen Übergangsradius 20 einzubringen, wird mittels einer Druckrolle 22 Druck in den Übergangsradius 20 eingebracht. Dabei wird gleichzeitig mittels einer Stützrolle 24 ein Gegendruck erzeugt, wobei in einen genau definierten Bereich am Übergangsradius 20 Druck eingebracht wird. Dafür wurden zuvor die Bereiche konstruktiv bestimmt und genau festgelegt, mit welchem Druck der Übergangsradius 20 beaufschlagt werden soll.
Es wird nun mittels der Druckrolle 22, die an einer zangenartigen Vorrichtung 28 angebracht ist, der Druck in den Übergangsradius 20 eingebracht. Dabei wird gleichzeitig mittels der Stützrolle 24 der Gegendruck erzeugt, so dass der Druck genau in den Übergangsradius 20 eingebracht werden kann. Auch die Stützrolle 24 ist an der zangenartigen Vorrichtung 28 angebracht.
Ist nun ein definierter Bereich des Übergangsradius 20 mit Druck beaufschlagt worden, wird die Kurbelwelle 1 um ihre Drehachse 12 gedreht. Dabei erfolgt eine Drehung um maximal 180° der Drehachse 12. Da nur partiell Druck in den Übergangsradius 20 in definierte Bereichen eingebracht werden soll, wird die Kurbelwelle 1 um 30° nach links gedreht. Nun wird wieder mit Hilfe der zangenartigen Vorrichtung 28 mittels der Druckrolle 22 und der Stützrolle 24 Druck in den Übergangsradius 20 eingebracht. Es folgen nun weitere Drehungen der Kurbelwelle 1 bis alle definierten Bereiche des Übergangsradius 20 mit Druck beaufschlagt sind. Hierbei wird die Kurbelwelle 1 entweder nach links oder nach rechts um ihre eigene Drehachse 12 gedreht. Danach wird der nächste Übergangsradius 20 mit Druck beaufschlagt.
Um die Kurbelwelle 1 mittels der zangenartigen Vorrichtung 28 an allen Bereichen mit Druck beaufschlagen zu können, ist es notwendig, dass diese zangenartige Vorrichtung 28 in mehrere Richtungen beweglich ist.
2 zeigt, stark vereinfacht, einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 28. Dabei wird der Hubzapfen 18 der Kurbelwelle 1 von der zangenartigen Vorrichtung 28 umgeben. Die zangenartige Vorrichtung 28 ist derart ausgestaltet, dass der Hubzapfen 18 umfasst werden kann. Ferner weist die zangenartige Vorrichtung 28 zwei Druckrollen 22 und eine Stützrolle 24 auf. Dabei sind die Druckrollen 22 gegenüber der Stützrolle 24 an der zangenartigen Vorrichtung 28 angebracht. Die zangenartige Vorrichtung 28 ist in drei Achsen beweglich. Soll nun ein Übergangsradius 20 einer Kurbelwelle 1, die in eine Vorzentrierung 14 eingespannt ist, mit Druck beaufschlagt werden, werden die Druckrollen 22, die sich an der zangenartigen Vorrichtung 28 befinden an die vordefinierte Stelle angesetzt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird die Stützrolle 24 an den Hubzapfen 18 angesetzt. Anschließend werden die Übergangsradien 20 mit Druck beaufschlagt. Wird nun eine weitere Stelle des Übergangsradius 20 beaufschlagt, öffnet sich die zangenartige Vorrichtung und kann in die gewünschte Position gebracht werden. Dabei ist die zangenartige Vorrichtung in drei Richtungen (nach oben/nach unten, links/rechts und nach vorne/nach hinten) beweglich. Es erfolgt das oben beschriebene Verfahren für jeden Hubzapfen 18 einzeln.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung. Dabei wird wiederum eine Kurbelwelle 1 in eine Vorzentrierung 14 eingelegt. Der Übergangsradius 20 wird hier mittels eines Schlagbolzens 30 beaufschlagt. Zur Erzeugung des Gegendrucks wird ein Stempel 32 verwendet. Durch schlagende Bewegung wird nun Druck in die Übergangsradien 20 gebracht. Dabei kann diese schlagende Bewegung maschinell oder manuell erzeugt werden. Anschließend wird die Kurbelwelle 1 gedreht, so dass ein weiterer definierter Bereich beaufschlagt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwelle
10a: Lagerzapfen
10b: Lagerzapfen
10c: Lagerzapfen
12: Drehachse
14: Vorzentrierung
16: Kurbelwange
18: Hubzapfen
20: Übergangsradius
22: Druckrolle
24: Stützrolle
26: Drehrichtung
28: zangenartige Vorrichtung
30: Schlagbolzen
32: Stempel

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle (1), wobei an den Übergangsradien (20) zwischen Kurbelwange und Hubzapfen (18) mittels zumindest eines Verfestigungswerkzeuges in definierte Bereiche der Übergangsradien (20) Druck eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Bereiche abhängig von der erforderlichen Bauteilfestigkeit vor dem Einbringen des Druckes in die Übergangsradien (20) ermittelt und festgelegt werden und der Druck partiell in die definierten Bereiche zumindest eines Übergangsradius (20) bei gleichzeitigem Einwirken eines Gegendrucks eingebracht wird, wobei der Druck und der Gegendruck mittels einer zangenartigen Vorrichtung (28) eingebracht wird.
Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verfestigungswerkzeug zumindest eine Druckrolle (22) zum Erzeugen von Druck und zumindest eine Stützrolle (24) zum Erzeugen von Gegendruck verwendet werden.
Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck maschinell eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (1) zum Einbringen des Drucks in einen Übergangsradius (20) jeweils maximal um 180° um die Drehachse der Kurbelwelle (1) gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (1) zum Einbringen des Drucks in einem Übergangsradius (20) jeweils segmentweise um die Drehachse (12) der Kurbelwelle (1) gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck für jeden Übergangsradius (20) einzeln eingebracht wird.