DE102007049197B4

DE102007049197B4 - Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle, sowie Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102007049197B4
Application number: DE102007049197A
Authority: DE
Inventors: Holger Wagner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-10-13
Filing date: 2007-10-13
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2027-10-14
Also published as: DE102007049197A1

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle mit einer Mehrzahl von Zapfen und zwischen den Zapfen angeordneten Wangen, bei dem begrenzte Bereiche der Kurbelwelle oberflächlich gehärtet werden, wobei einzelne getrennte Oberflächenbereiche abseits von konkaven Übergangsradien zwischen den Zapfen und angrenzenden Wangen gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte (21, 24, 25, 27) von äußeren Umfangsflächen der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Welle und insbesondere einer Kurbelwelle ist aus der DE 10 2005 021 793 B4 bekannt, in der sich darüber hinaus Verweise auf weitere, zur Härtung von Kurbelwellen dienende Verfahren finden. Bei dem in der DE 10 2005 021 793 B4 beschriebenen Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt mit Hilfe von Heizspulen Übergangsradien zwischen den Zapfen und den benachbarten Wangen der Kurbelwelle und gegebenenfalls auch die zylindrischen Oberflächen der Zapfen sowie unmittelbar an die Übergangsradien angrenzende Bereiche der Wangen gehärtet, bevor in einem zweiten Verfahrensschritt die Übergangsradien noch mit einem Festwalzwerkzeug festgewalzt werden. Das bekannte Verfahren eignet sich gut zur Härtung von Oberflächenbereichen der Kurbelwelle, die zur Drehachse der Kurbelwelle und damit zur Längsmittelachse der Lagerzapfen oder zur Längsmittelachse der Hubzapfen koaxial sind, da die Kurbelwelle zur Durchführung des Verfahrens um die Längsmittelachse der zu härtenden Zapfen drehbar eingespannt und nach einer radialen Zustellung des zur Härtung verwendeten Werkzeugs um diese Achse gedreht werden kann. Jedoch sind die Bereiche, in denen ein solches Verfahren eingesetzt werden kann, auf die Zapfen, die Übergangsradien zwischen den Zapfen und den benachbarten Wangen sowie auf unmittelbar an die Übergangsradien angrenzende Bereiche der Wangen beschränkt. Andere Bereiche der Kurbelwelle und insbesondere Bereiche der Umfangsflächen oder Stirnflächen der Wangen, die unregelmäßige Oberflächenformen aufweisen, lassen sich hingegen mit dem bekannten Verfahren nicht oder nur schlecht härten.
Aus der DE 102 61 710 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Kurbelwelle mit einem abschnittsweise nicht-rotationssymmetrischen Querschnitt bekannt, bei dem Wellenbereiche, wie die Lagerzapfen, die Kurbelzapfen und benachbarte Randzonen, durch einen energiereichen Strahl und insbesondere einen Laser- oder Elektronenstrahl erhitzt und anschließend schnell abgekühlt werden, um die erhitzten Oberflächenabschnitte zu härten. Andere Oberflächenabschnitte der Kurbelwelle werden nicht erwähnt.
Weiter offenbart die DE 22 05 513 B2 ein Verfahren und eine Kurbelwelle der eingangs genannten Art, wo begrenzte Bereiche der Kurbelwelle, nämlich Lagerzapfen, Kurbelzapfen, Übergangsradien und Anlaufbunde durch induktive Erwärmung oberflächlich gehärtet werden. Diese Bereiche umfassen mit den Lagerzapfen, den Kurbelzapfen und den Anlaufbunden getrennte Oberflächenbereiche abseits der konkaven Übergangsradien zwischen den Zapfen und angrenzenden Wangen.
Jedoch unterliegen Kurbelwellen nicht nur im Bereich der Zapfen, der Übergangsradien zu den Wangen und der Anlaufbunde starken Beanspruchungen, sondern sind auch im Bereich der Wangen selbst hohen Biege- und Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt, die infolge der zunehmend höheren Anforderungen an die Kurbelwellen ohne geeignete Gegenmaßnahmen zum Versagen von Kurbelwellen führen können.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Kurbelwelle der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich die Dauerfestigkeit und insbesondere die Torsions-Dauerfestigkeit weiter erhöhen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst.
Als berührungsloses Härtungsverfahren wird bevorzugt die Laserstrahlhärtung eingesetzt, bei der die zu härtenden Oberflächenbereiche der Wangen mit einem energiereichen Laserstrahl abgetastet und dadurch auf eine gewünschte, für die Härtung erforderliche Temperatur erhitzt werden. Alternativ kann auch mit einer Elektronenstrahlhärtung gearbeitet werden, bei der an Stelle eine Laserstrahls ein Elektronenstrahl zum Abtasten und Erhitzen der gewünschten Oberflächenbereiche der Wangen dient. Eine weitere Alternative ist das sogenannte Lichtbogenhärten, bei dem eine Elektrode über die zu härtenden Oberflächenbereiche der Wangen hinweggeführt und dabei eine Hochspannung zwischen der Elektrode und der Kurbelwelle angelegt wird, die zu einer Lichtbogenentladung zwischen der Elektrode und einem gegenüberliegenden Oberflächenbereich der Wangen und damit zur Aufheizung dieses Oberflächenbereichs führt.
Während mit den zuvor beschriebenen, bevorzugt eingesetzten Verfahren nur eine sehr dünne, direkt an der Oberfläche der Wangen gelegene Materialschicht gehärtet wird, kann mit einer Induktionshärtung der Wangen in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselmagnetfeldes bzw. des zu seiner Erzeugung dienenden Wechselstroms eine etwas tiefer reichende Härtung vorgenommen werden. Während mit hochfrequenten Magnetfeldern von mehr als 100 kHz Einhärtetiefen von etwa 0,1 bis 2 mm erzeugt werden können, ist mit mittelfrequenten Magnetfeldern von etwa 1 bis 100 kHz eine Einhärtetiefe von 1 bis 10 mm möglich. In diesem Fall wird eine Induktionsspule in einem definierten Abstand von den zu härtenden Oberflächenbereichen an der Oberfläche der Wangen entlang bewegt, um diese zu erhitzen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass vor allem an die äußeren Umfangsflächenabschnitte angrenzende Bereiche von entgegengesetzten Stirnflächen der Wangen gehärtet werden.
Die Härtung erfolgt dabei vorzugsweise vor allem an konkav gerundeten Umfangsflächenabschnitten der Wangen, die zwischen zwei konvex gerundeten Umfangsflächenabschnitten mit unterschiedlichen Krümmungsradien angeordnet sind, an Umfangsflächenabschnitten der Wangen, die zwischen unterschiedlich dicken Bereichen der Wangen angeordnet sind, sowie an Umfangsflächenabschnitten der Wangen, die mit Aussparungen oder Vertiefungen versehen sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle mit mehreren getrennten gehärteten Oberflächenbereichen;
2: eine schematische Ansicht einer Laserstrahlhärtung eines Oberflächenbereichs der Kurbelwelle.
Die in der Zeichnung dargestellte Kurbelwelle 1 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs besteht im Wesentlichen aus zwei zylindrischen, zur Drehachse der Kurbelwelle 1 koaxialen Lagerzapfen 2, 3, mit denen die Kurbelwelle 1 in Gleitlagern eines Kurbelgehäuses der Brennkraftmaschine gelagert wird, zu den beiden Lagerzapfen 2, 3 parallelen zylindrischen Hubzapfen 4, 5, 6, an denen Pleuelstangen schwenkbar an der Kurbelwelle 1 befestigt werden, zwei Wellenstümpfen 7, 8 an den Stirnenden der Welle 1, mehreren, einzeln oder paarweise zwischen jeweils zwei benachbarten Zapfen 2, 6 bzw. zwischen einem Zapfen 4, 5 und dem dazu benachbarten Wellenstumpf 7 bzw. 8 angeordnete Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14, welche die benachbarten, gegeneinander versetzten Zapfen 2, 6 bzw. Wellenstümpfe 7, 8 einstückig miteinander verbinden und zugleich als Ausgleichsmassen dienen.
Aufgrund von Torsions- oder Biegekräften, die im Betrieb auf die Kurbelwelle 1 einwirken, sind vor allem die Übergangsbereiche zwischen den Zapfen 2, 3, 4, 5, 6 und den jeweils benachbarten Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 der Kurbelwelle 1, jedoch darüber hinaus auch Teilbereiche der Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 selbst hohen lokalen Belastungen ausgesetzt. Um die Spannungsspitzen an den Übergängen zwischen den Zapfen 2, 3, 4, 5, 6 und den Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 zu verringern, werden dort zum einen bei der spanabhebenden Bearbeitung der Kurbelwelle 1 Übergangsradien 15 vorgesehen. Zum anderen wird die Kurbelwelle 1 zur Erhöhung der Dauerfestigkeit im Bereich der Übergangsradien 15 oberflächlich gehärtet, vorzugsweise durch Induktionshärten und nachfolgendes Rollieren oder Festwalzen der Übergangsradien 15.
Da jedoch die Bereiche, in denen eine Induktionshärtung und eine Rollierung mit einfachen Mitteln möglich ist, auf rotationssymmetrische Oberflächenbereiche der Kurbelwelle 1 begrenzt sind, wie eingangs erläutert wurde, werden darüber hinaus auch noch einzelne getrennte Oberflächenbereiche von Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 abseits von den konkaven Übergangsradien 15 berührungslos durch Laserstrahlhärten gehärtet, wie schematisch in 2 dargestellt.
Beim Laserstrahlhärten wird ein energiereicher Laserstrahl 16, zum Beispiel der Strahl eines CO₂-Lasers 17, über die zu härtenden Oberflächenbereiche der Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 hinweggeführt bzw. die zu härtenden Oberflächenbereiche mit dem Laserstrahl 16 abgetastet. Dabei ist die Abtastgeschwindigkeit so eingestellt, das eine zur Härtung ausreichende Aufheizung der abgetasteten Oberflächenbereiche gewährleistet ist.
Zur Abtastung der gewünschten Oberflächenbereiche ist der Laser 17 rechnergesteuert auf einem Schlitten 18 entlang einer zur Drehachse 19 der Kurbelwelle 1 parallelen Linearführung 20 verfahrbar (Doppelpfeil A) und darüber hinaus um eine zur Linearführung 20 senkrechte Drehachse drehbar (Doppelpfeil B), so dass durch gesteuertes Verfahren und Drehen des Lasers 17 sowie durch Drehen der Kurbelwelle 1 um ihre Drehachse 19 im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kurbelwelle 1 bzw. der Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 mit dem Laserstrahl 16 abtastbar ist.
Wie am besten in 1 dargestellt, handelt es sich bei den mit dem Laserstrahl 16 abgetasteten und dadurch gehärteten Oberflächenbereichen zum einen um Bereiche von unregelmäßig geformten äußeren Umfangsflächen der Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14 und zwar erstens um konkav gerundete Bereiche 21 (1) der Umfangsflächen zwischen zwei benachbarten konvexen Umfangsflächenabschnitten 22, 23, die unterschiedliche Krümmungsradien besitzen, zweitens um Bereiche 24 (1) der Umfangsflächen, an denen Wangenteile mit unterschiedlicher Dicke aneinandergrenzen, drittens um Bereiche 25 (1) der Umfangsflächen, an denen diese mit einer Vertiefung oder Aussparung 26 versehen sind, sowie viertens um Bereiche 27 der Umfangsflächen, an denen sich diese stark an die zylindrische Umfangsfläche 28 eines benachbarten Zapfens 2 annähern.
Darüber hinaus umfassen die durch Laserstrahlhärten gehärteten Oberflächenbereiche auch Bereiche 29 von entgegengesetzten Stirnflächen der Wangen 9, 10, 11, 12, 13, 14, die an die zuvor genannten Umfangsflächenbereiche 21, 24, 25 und 27 angrenzen.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwelle
2: Lagerzapfen
3: Lagerzapfen
4: Hubzapfen
5: Hubzapfen
6: Hubzapfen
7: Wellenstumpf
8: Wellenstumpf
9: Wange
10: Wange
11: Wange
12: Wange
13: Wange
14: Wange
15: Übergangsradien
16: Laserstrahl
17: Laser
18: Schlitten
19: Drehachse Kurbelwelle
20: Linearführung
21: Umfangsflächenabschnitt Wange
22: Umfangsflächenabschnitt Wange
23: Umfangsflächenabschnitt Wange
24: Umfangsflächenabschnitt Wange
25: Umfangsflächenabschnitt Wange
26: Aussparung
27: Umfangsflächenabschnitt Wange
28: Umfangsfläche Zapfen
29: Stirnflächenabschnitt Wange

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle mit einer Mehrzahl von Zapfen und zwischen den Zapfen angeordneten Wangen, bei dem begrenzte Bereiche der Kurbelwelle oberflächlich gehärtet werden, wobei einzelne getrennte Oberflächenbereiche abseits von konkaven Übergangsradien zwischen den Zapfen und angrenzenden Wangen gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte (21, 24, 25, 27) von äußeren Umfangsflächen der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (21, 24, 25, 27, 29) kontaktlos gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (21, 24, 25, 27, 29) durch Laserstrahlhärten gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (21, 24, 25, 27, 29) durch Elektronenstrahlhärten gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (21, 24, 25, 27, 29) durch Lichtbogenhärten gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (21, 24, 25, 27, 29) durch Induktionshärten gehärtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die äußeren Umfangsflächenabschnitte (21, 24, 25, 27) angrenzende Bereiche (29) von entgegengesetzten Stirnflächen der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Umfangsflächenabschnitte (21) der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden, die konkav gerundet und zwischen konvexen Umfangsflächenabschnitten (22, 23) mit unterschiedlichen Krümmungsradien angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Umfangsflächenabschnitte (24) der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden, die zwischen unterschiedlich dicken Bereichen der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Vertiefungen oder Aussparungen (26) versehene Umfangsflächenabschnitte (25) der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Umfangsflächenabschnitte (27) der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet werden, an denen der Abstand der Umfangsfläche von der zylindrischen Umfangsfläche (28) eines benachbarten Zapfens (2) sehr gering wird.
Kurbelwelle mit einer Mehrzahl von Zapfen und zwischen den Zapfen angeordneten Wangen, bei der begrenzte Bereiche der Kurbelwelle oberflächlich gehärtet sind, wobei einzelne getrennte Oberflächenbereiche abseits von konkaven Übergangsradien zwischen den Zapfen und angrenzenden Wangen gehärtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte (21, 24, 25, 27) von äußeren Umfangsflächen der Wangen (9, 10, 11, 12, 13, 14) gehärtet sind.