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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmieden oder Gießen einer
eine Drehachse sowie mindestens eine Materialnaht aufweisenden Welle, insbesondere
Kurbelwelle, vorzugsweise für
ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Welle, insbesondere Kurbelwelle, vorzugsweise
für ein
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Drehachse sowie
mindestens einer, durch mindestens einen Schmiede- oder Gießvorgang
erzeugten Materialnaht.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren der Eingangs genannten Art
bekannt. So sind Wellen bekannt, die durch Gesenkschmieden geformt
werden. Beim Gesenkschmieden wird ein Rohling beziehungsweise ein
zu schmiedendes Bauteil völlig
oder zu einem wesentlichen Teil von sich gegeneinander bewegenden
Formwerkzeugen, den Gesenkhälften, umschlossen
und auf Grund einer in der jeweiligen Gesenkhälfte eingebrachten Gravur durch
plastische Deformation in die Form des fertigen Schmiedestücks gebracht.
In der Regel wird ein erwärmter Rohling,
der schon etwa die Form beziehungsweise die Größe des späteren Schmiedeteils aufweist,
in eine unten liegende Gesenkhälfte
(Untergesenk) gelegt. Von oben schlägt die andere Gesenkhälfte (Obergesenk)
auf den Rohling und formt ihn zum gewünschten Schmiedestück. Dabei
können
mehrere Arbeitstakte zur vollständigen
Umformung notwendig sein. Die Gravur in den Gesenkhälften entspricht
dabei der Negativform des Schmiedestücks. Damit beim Schmiedevorgang
keine Bereiche entstehen, in die kein Material des Rohlings gelangt,
wird der Rohling so bemessen, dass das Materialvolumen größer ist
als das des fertigen Schmiedestücks.
Dadurch wird gewährleistet,
dass die Gesenkhälften
tatsächlich
vollständig
mit Material ausgefüllt
werden. Da hier mit einem Überschuss
an Material gearbeitet wird, ist es notwendig dem Material eine
Ausweichmöglichkeit
zu geben, so dass beim Schmieden das überschüssige Material entweichen kann.
Typischerweise wird dafür
in den Gesenkhälften
in dem Bereich, in dem sich die Gesenkhälften treffen, ein Auffangraum
für überschüssiges Material
geschaffen. Beim Schmieden entweicht dann das überschüssige Material in den Auffangraum.
Das in den Auffangraum ausweichende Material bildet einen Schmiedegrat,
der nach dem Entfernen des Schmiedestücks aus den Gesenkhälften entfernt
wird. Der Bereich des Grats kennzeichnet dabei eine Materialnaht,
die sogenannte Schmiedenaht des Schmiedstücks. Sie wird im Wesentlichen definiert
durch den Bereich in dem sich die beiden Gesenkhälften beim Schmieden treffen.
Durch das Herauspressen des überschüssigen Materials
ergibt sich in diesem Bereich ein undefinierter Zustand der Gefügeausbildung
und sogenannte Ausseigerungen, welche der Dauerfestigkeit des Schmiedsstücks beziehungsweise
der Welle nicht zuträglich
sind. In diesem Bereich der Schmiedenaht entstehen im Betrieb oder
auch an Prüfständen bevorzugt
Anrisse.
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Entsprechendes
gilt für
Wellen, die durch Gießen
hergestellt werden. Dabei entsteht eine Gussnaht im Wesentlichen
in dem Bereich der Welle, in dem sich zwei zum Gießen verwendete
Gießformhälften treffen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, auf einfache Art und Weise
eine Welle zu schaffen, die eine besonders hohe Festigkeit beziehungsweise Belastbarkeit
aufweist.
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Die
der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
der Schmiede- oder Gießvorgang
derart durchgeführt
wird, dass mindestens ein Abschnitt einer Materialnaht außerhalb
einer Ebene verläuft,
in der die Drehachse der Welle liegt. Wobei die in der Drehachse
liegende Ebene natürlich nur
eine gedachte Ebene darstellt. Die Welle wird demgemäß so geschmiedet
oder gegossen, dass die Materialnaht zumindest bereichsweise außermittig, also
nicht durch einen Mittelpunkt und/oder einen Mittelbereich – im Querschnitt
gesehen – der
Welle verläuft.
Die durch die Drehachse der Welle führende Ebene projiziert auf
die Oberfläche
der Welle um 180° versetzt,
zur Drehachse parallele (ebenfalls gedachte) Linien. Im Regelfall
würde die
Materialnaht entlang dieser Linien verlaufen. Erfindungsgemäß wird die
Materialnaht, wie oben beschrieben, derart erzeugt, dass zumindest
ein Abschnitt von ihr nicht dieser Linie folgt, sondern außerhalb
zu der gedachten Ebene und damit außerhalb zu der projizierten
Linie verläuft.
Da die gedachte Ebene durch die Drehachse führt, kennzeichnet sie die Mitte
der Welle. Somit kann die Materialnaht zumindest bereichsweise aus
hochbelasteten Stellen der Welle beziehungsweise Kurbelwelle verlegt
werden. Dies hat den Vorteil, dass die Welle ein deutlich verbessertes
Verhalten im Bezug auf Ihre Dauerfestigkeit erhält. Die Materialnaht ist zweckmäßigerweise
entsprechend zur Herstellungsart eine Schmiedenaht oder Gießnaht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung wird die Ebene derart gewählt, dass
in ihr eine Drehachse eines Kurbelzapfens liegt. Gerade bei Kurbelwellen treten
im Betrieb – im
Querschnitt gesehen – mittig beziehungsweise
in der Ebene, in der die Drehachse der Welle und die Drehachse des
Kurbelzapfens liegen hohe Belastungen auf. Ein an dem Kurbelzapfen drehbar
gelagertes Pleuel erzeugt beispielsweise im Betrieb einer Brennkraftmaschine
hohe Belastungen im Übergang
vom Kurbelzapfen auf die Kurbelwelle. Wird der Abschnitt der Materialnaht
vorteilhafterweise im Übergang
außerhalb
der Ebene erzeugt, so treten die hohen Belastungen in einem für Anrisse
nicht oder weniger anfälligen
Bereich der Kurbelwelle auf. Über
die Längserstreckung
des Welle gesehen kann diese mehrere zueinander verdrehte Ebenen
aufweisen, vorteilhafterweise entsprechend der Anzahl von Kurbelzapfen,
sodass mindestens ein Abschnitt der Materialnaht im Bereich jeweils
einer Ebene außerhalb
dieser verläuft.
Durch die außerhalb
der oben beschriebenen Ebene verlaufende Materialnaht im Bereich
des Kurbelzapfens wird die Festigkeit beziehungsweise Belastbarkeit
der Kurbelwelle hinsichtlich Torsions- und Biegedauerfestigkeit
deutlich erhöht.
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Vorteilhafterweise
wird als Ebene beziehungsweise gedachte Ebene eine Symmetrieebene der
Welle verwendet, sodass der Abschnitt der Materialnaht außerhalb – im Querschnitt
gesehen – der Symmetrieebene
der Welle erzeugt wird. Insbesondere Kurbelwellen weisen in unterschiedlichen
Bereichen wie bei den Kurbelzapfen oder Gegengewichten eine Symmetrie
auf, die sie belastbarer als andere, unsymmetrische Wellen macht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung werden zum Schmieden oder Gießen ungleich
gestaltete Gesenkteile oder Gießformen
verwendet. Es sind also nicht, wie bei bekannten Schmiedeerfahren,
Gesenk- beziehungsweise Gießformenhälften vorgesehen,
die im Wesentlichen gleich (Hälften)
gestaltet sind, sondern Gesenkteile, die insbesondere auch bei einer
Symmetrie der Welle unterschiedlich groß beziehungsweise geformt sind
und unterschiedliche Gravuren zur Formbildung aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße Welle,
die vorzugsweise mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens
gefertigt wurde, weist eine Materialnaht auf, von der zumindest
ein Abschnitt außerhalb
einer Ebene verläuft,
in der die Drehachse der Welle liegt, wobei auch hier die Ebene
eine gedachte Ebene darstellt. Es ergeben sich dabei die oben genannten
Vorteile. Die Vorteile gelten insbesondere für eine Welle die als Kurbelwelle
ausgebildet ist. Allgemein gelten die Vorteile insbesondere für Wellen,
die nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sind und/oder exzentrisch
belastet werden. Entsprechend dem Herstellungsverfahren ist die
Materialnaht eine Schmiedenaht oder Gießnaht.
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Zweckmäßigerweise
weist die Welle mindestens einen (exzentrischen) Kurbelzapfen auf,
so dass sie eine Kurbelwelle bildet. Vorteilhafterweise liegt eine
Drehachse des Kurbelzapfens in der Ebene, in der auch die Drehachse
der Welle liegt. Insbesondere beim Übergang vom Kurbelzapfen zur
Welle treten hohe Belastungen auf, die durch den erfindungsgemäßen Verlauf
der Materialnaht besser von der aufgenommen werden können, so
dass sich die Belastbarkeit beziehungsweise Festigkeit der Kurbelwelle erhöht. Wobei
natürlich
die Welle über
ihre Längserstreckung
hinweg nicht gleich ausgebildet sein muss, sondern unterschiedliche
Bereiche, wie zum Beispiel mehrere Kurbelzapfen und/oder Gegengewichte, aufweisen
kann, so dass die Welle vorteilhafterweise mehrere, zueinander verdrehte
Ebenen aufweist, wobei jeweils ein Abschnitt der Materialnaht außerhalb der
jeweiligen Ebene verläuft.
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Nach
einer Weiterbildung ist die Ebene eine Symmetrieebene der Welle.
Die Drehachse der Welle liegt dabei in der Symmetrieebene, welche – im Querschnitt
gesehen – die
Welle in eine linke und eine rechte Hälfte teilt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung verläuft die Materialnaht insgesamt
außerhalb
der Ebene. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
verläuft
die Materialnaht in mehreren unterschiedlichen Bereichen außerhalb
der Ebene.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrere Figuren näher erläutert werden.
Dazu zeigen
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1 einen
Abschnitt einer Kurbelwelle,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Schmiedenahtverlauf,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Schmiedenahtverlauf
in einer ersten perspektivischen Darstellung und
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4 das
vorhergehende Ausführungsbeispiel
in einer zweiten perspektivischen Darstellung.
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Die 1 zeigt
in einer Seitenansicht einen Abschnitt eine als Kurbelwelle 1 ausgebildete
Welle, die eine Drehachse 2 aufweist. Exzentrisch zu der Drehachse 2 weist
die Kurbelwelle 1 einen Kurbelzapfen 3 auf, an
dem ein die Drehachse 2 antreibendes Pleuel drehbar befestigt
werden kann. Der Kurbelzapfen weist dabei eine Drehachse 4 auf,
um die sich das darum befestigte Pleuel drehen würde. Der Kurbelzapfen 3 ist über Gegengewichte 5 und 6, die
sich über
die Drehachse 2 der Kurbelwelle 1 hinaus erstrecken mit
der Kurbelwelle 1 einstückig
verbunden. Auf weitere die Form oder Funktion der Kurbelwelle soll
hier nicht näher
eingegangen werden, da dies dem Fachmann bekannt ist.
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In
der 1 ist weiterhin eine Linie A-A/B-B durch das Gegengewicht 5 senkrecht
zu den Drehachsen 2, 4 eingezeichnet. Die 2 zeigt
zwei übereinander
gelagerte Querschnitte der Kurbelwelle 1 entlang dieser
Linie A-A/B-B, wobei einmal in Richtung des Kurbelzapfens 3 (Linie
A-A) und einmal in die entgegengesetzte Richtung (Linie B-B) geblickt wird.
Der in der 2 gezeigte Querschnitt stellt
somit sowohl den Blick auf den Kurbelzapfen 3, dessen Außenumfang
gestrichelt dargestellt ist, als auch den Blick in die entgegengesetzte
Richtung (Linie B-B) dar, wobei der Außenumfang der Kurbelwelle 1 gestrichelt
dargestellt ist. Eine gedachte Ebene 10 führt vorteilhafterweise
durch die Drehachsen 2 und 4 der Kurbelwelle 1 beziehungsweise
des Kurbelzapfens 3 und teilt den Querschnitt in zwei gleiche
Hälften
teilen, so dass die Ebene 10 eine Symmetrieebene 11 darstellt.
Die Ebene 10 beziehungsweise die Symmetrieebne 11 liegt
somit – im
Querschnitt gesehen – mittig.
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Weiterhin
ist in der 2 dargestellt eine Schmiedenaht 7,
die im Bereich der Kurbelwelle 1 über einen ersten Abschnitt 9 im
Wesentlichen mittig und im Bereich des Kurbelzapfens 3 über einen
zweiten Abschnitt 8 außermittig,
also nicht in der Ebene 10 beziehungsweise 11 verläuft. Die
Schmiedenaht 7 entsteht beim Schmieden der Kurbelwelle
durch das Zusammendrücken
von zwei ungleich geformten Gesenkteilen, wobei die Schmiedenaht 7 in
dem Bereich entsteht, in dem die Gesenkteile sich treffen und in dem Überschussmaterial
aus den Gesenkteilen heraus beispielsweise in einen Auffangraum
fließen kann.
In diesem Bereich ergibt sich dadurch ein undefinierter Zustand
der Gefügeausbildung
des Materials und gegebenenfalls sogenannte Ausseigerungen. In diesen
Bereichen finden bevorzugt Anrisse im Betrieb beziehungsweise unter
Belastung der Kurbelwelle statt. Ein hochbelasteter Bereich 9,
gekennzeichnet durch eine gestrichelte Umrandung, der im Übergang
vom Kurbelzapfen 3 zur Kurbelwelle 1 liegt, befindet
sich im Querschnitt mittig, beziehungsweise im Bereich der gedachten
Symmetrieebene der Kurbelwelle 1. Durch die außermittige
Lage des Abschnitts 8 im Bereich des Kurbelzapfens 3 verläuft die
Schmiedenaht 7 in einem weniger stark belasteten Bereich,
so dass bei einer gleichen Belastung der Kurbelwelle 1 die
Schmiedenaht 7, insbesondere im Bereich des Abschnitts 9,
weniger anfällig
für eine Rissbildung
ist. Dadurch wird die Belastbarkeit der Kurbelwelle 1,
insbesondere im Bereich 9, erheblich verbessert.
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Entsprechend
kann zum Beispiel auch eine Nockenwelle gefertigt werden, die durch
den Schmiedeprozess eine Schmiedenaht aufweist, welche abschnittsweise
außermittig
verläuft,
um die Festigkeit beziehungsweise Belastbarkeit der Nockenwelle
zu erhöhen.
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Die 3 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Teil eine als Kurbelwelle 12 ausgebildete Welle,
die eine Drehachse 13 aufweist. Auf der Oberfläche der
Kurbelwelle 12 ist eine Schmiedenaht 14 eingezeichnet.
Am Stirnende 15 der Kurbelwelle 2 verläuft die
Schmiedenaht 14 gerade beziehungsweise linienförmig durch
die Drehachse 13 und liegt somit in einer durch die Drehachse 13 führenden
(gedachten), hier nicht dargestellten, Ebene. Ein Abschnitt 16 der
Schmiedenaht 14, der zwischen einem Kurbelzapfen 17 und
einer dem Stirnende 15 zugeordneten Lagerstelle 18 der
Kurbelwelle 12 verläuft, ist
außermittig
zu der gedachten Ebene angeordnet beziehungsweise erzeugt. Ein weiterer
Abschnitt 19 der Schmiedenaht 14 im Bereich eines
Gegengewichts 20 der Kurbelwelle 12 verläuft ebenfalls
außermittig
zu der Ebene. Die Schmiedenaht 14 weist noch weitere Abschnitte
auf, die außermittig
zu der Ebene verlaufen. Diese sollen jedoch hier nicht weiter beschrieben
werden.
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Die 4 zeigt
die Kurbelwelle 12 in einer weiteren perspektivischen Darstellung.
Hierbei ist besonders deutlich der außermittige Verlauf des Abschnitts 16 der
Schmiedenaht 14 zu erkennen. Durch den vorteilhaften Verlauf
der Schmiedenaht wird die Belastbarkeit der Kurbelwelle 12 in
Bezug auf Torsions- und Biegedauerfestigkeit deutlich erhöht.
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Die
vorliegenden Ausführungsbeispiele
der 1 bis 4 beziehen sich zwar auf eine
geschmiedete Welle mit einer Schmiedenaht (7, 14). Jedoch
lassen sich die Ausführungsbeispiele
ebenfalls auf eine entsprechend gegossene Welle übertragen, wie aus den Ansprüchen hervorgeht,
sodass diese eine Gießnaht
aufweist, deren Verlauf dem der Schmiedenähte 7 oder 14 entspricht,
wodurch die Belastbarkeit der (Guß-)Welle beziehungsweise (Guß-)Kurbelwelle
in Bezug auf Torsions- und Biegedauerfestigkeit deutlich erhöht wird.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Drehachse
- 3
- Kurbelzapfen
- 4
- Drehachse
- 5
- Gegengewicht
- 6
- Gegengewicht
- 7
- Schmiedenaht
- 8
- Abschnitt
- 9
- Abschnitt
- 10
- Ebene
- 11
- Symmetrieebene
- 12
- Kurbelwelle
- 13
- Drehachse
- 14
- Schmiedenaht
- 15
- Stirnseite
- 16
- Abschnitt
- 17
- Kurbelzapfen
- 18
- Lagerstelle
- 19
- Abschnitt
- 20
- Gegengewicht