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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, sowie ein Verfahren zum Härten
einer Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11.
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Kurbelwellen
für Brennkraftmaschinen
werden üblicherweise
mindestens zum Teil gehärtet,
um ihre Festigkeit zu erhöhen.
Die Härtung
der rotationssymmetrischen Lagerflächen der Kurbelwellen, wie der
Umfangsflächen
der Wellenzapfen und der Hubzapfen, und die Härtung der an die Wellenzapfen
und Hubzapfen angrenzenden, gewöhnlich
mit Übergangsradien
versehenen Übergangsbereiche
erfolgt in der Regel durch induktives Erhitzen und anschließendes Abschrecken
dieser Bereiche. Zum Abbau von inneren Spannungen werden Kurbelwellen
nach dem Abschrecken zumeist noch angelassen, indem man sie entweder
in einem Härteofen
wieder auf Temperaturen zwischen 300 und 500°C erwärmt oder indem man die nach
dem Abschrecken in den Kurbelwellen enthaltene Restwärme zum
Anlassen nutzt.
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Zur
induktiven Erwärmung
der Wellenzapfen, der Hubzapfen und der daran angrenzenden Übergangsbereiche
werden üblicherweise
Induktoren verwendet, die lösbar
auf den Wellenzapfen bzw. Hubzapfen montiert werden und mit integrierten Brausen
versehen sind, durch die nach einer oberflächlichen induktiven Erhitzung
der Wellenzapfen, Hubzapfen und Übergangsbereiche
bis zur Rotglut ein flüssiges
Abschreckmedium zu den Oberflächen der
Wellenzapfen, Hubzapfen und Übergangsbereiche
zugeführt
wird. Die zu diesem Zweck verwendeten Induktoren sind allgemein
spiegelsymmetrisch zu einer radialen Mittelebene des jeweils zu
härtenden Wellenzapfens
bzw. Hubzapfens, so dass die Erwärmung
der Wellenzapfen und Hubzapfen beiderseits ihrer Mittelebene ebenfalls
symmetrisch erfolgt. Entsprechendes gilt auch für die in die Induktoren integrierten
Brausen, so dass bei bekannten Induktoren das Abschreckmedium entlang
der Wellen- und Hubzapfen ebenfalls gleichförmig verteilt zugeführt wird, was
insgesamt zu einer allgemein gleichförmigen Härtung der Wellenzapfen, der
Hubzapfen und der Übergangsbereiche
führt.
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Auf
der anderen Seite ist es jedoch bekannt, dass eine starke Härtung von
Stahl zu einer hohen Biegewechselfestigkeit führt, jedoch im Hinblick auf die
Torsionsfestigkeit keine so guten Ergebnisse bringt, während umgekehrt
eine schwächere
Härtung von
Stahl zwar eine höhere
Torsionsfestigkeit dafür jedoch
eine niedrigere Biegewechselfestigkeit zur Folge hat. Dementsprechend
werden Kurbelwellen, deren Biegebelastung in der Nähe kritischer
Grenzen liegt, zumeist stärker
gehärtet,
während
Kurbelwellen, deren Torsionsbelastung in der Nähe kritischer Grenzen liegt,
zumeist weniger stark gehärtet
werden.
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Insbesondere
bei Kurbelwellen für
dieselgetriebene V-Motoren von Kraftfahrzeugen liefert jedoch keine
dieser Alternativen optimale Ergebnisse, da diese Kurbelwellen sehr
stark auf Torsion beanspruchte Bereiche und sehr stark auf Biegung
beanspruchte Bereiche aufweisen, in denen die Torsions- bzw. Bielgebelastungen
jeweils bereits in der Nähe kritischer
Grenzen liegen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle
und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
dass unterschiedlichen Belastungen in verschiedenen Bereichen der
Kurbelwelle durch die Härtung
besser Rechnung getragen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass verschiedene Übergangsbereiche unterschiedlich
stark gehärtet
sind/werden.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Festigkeit der Übergangsbereiche
sowohl im Hinblick auf die Biegebelastung als auch im Hinblick auf
die Torsionsbelastung entscheidend für die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle
ist und dass daher durch eine unterschiedliche Härtung verschiedener, unterschiedlich
stark auf Biegung bzw. Torsion beanspruchter Übergangsbereiche ein Versagen
der Kurbelwelle durch Überlastung
mit höherer
Sicherheit vermieden werden kann.
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Um
für eine
besonders hohe Festigkeit zu sorgen, sind die unterschiedlich stark
gehärteten Übergangsbereiche
jeweils mit einem Übergangsradius
versehen, wobei Härtungszonen
an den Übergangsradien
unterschiedliche Härten
besitzen. Bevorzugt besitzen die Härtungszonen an den Übergangsradien
von einem Teil der Übergangsbereiche eine
Rockwell-Härte
(HRC) von weniger als 56 und vorzugsweise von weniger als 55, während die
Härtungszonen
an den Übergangsradien
von einem anderen Teil der Übergangsbereiche
eine Rockwell-Härte
(HRC) von mehr als 56 und vorzugsweise von mehr als 57 aufweisen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
stark auf Torsion und/oder weniger stark auf Biegung belastete Übergangsbereiche
weniger stark ge härtet
sind und zweckmäßig eine
Rockwell-Härte
(HRC) von weniger als 56 und vorzugsweise von weniger als 55 aufweisen,
während
stark auf Biegung und/oder weniger stark auf Torsion belastete Übergangsbereiche
stärker
gehärtet
sind und zweckmäßig eine
Rockwell-Härte
(HRC) von mehr als 56 und vorzugsweise von mehr als 57 aufweisen.
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Ein
besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Split-Pin-Kurbelwellen,
insbesondere Split-Pin-Kurbelwellen von Diesel-Brennkraftmaschinen,
bei denen Hubzapfen mit gegeneinander versetzten Längsmittelachsen
paarweise aneinandergrenzen. Da Split-Pin-Kurbelwellen im Übergangsbereich
zwischen den beiden aneinandergrenzenden Hubzapfen sehr stark auf
Torsion und weniger stark auf Biegung beansprucht werden, während sie
umgekehrt im Übergangsbereich
zwischen jedem Hubzapfen und der benachbarten Wange sehr stark auf
Biegung und weniger stark auf Torsion beansprucht werden, bringt
es große
Vorteile, diese Übergangsbereiche
an den entgegengesetzten Stirnenden jedes Hubzapfens unterschiedlich
stark zu härten,
nämlich
zwischen benachbarten Hubzapfen weniger stark als zwischen jedem
Hubzapfen und der benachbarten Wange.
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Vorteilhaft
weisen Härtungszonen
an den Übergangsradien
der Übergangsbereiche
zwischen paarweise benachbarten Hubzapfen eine geringere Rockwell-Härte (HRC)
von 52 bis 54 auf, während
sie an den Übergangsradien
der Übergangsbereiche zwischen
jedem der Hubzapfen und einer benachbarten Wange ebenso wie entlang
der zylindrischen Umfangsflächen
der Hubzapfen eine höhere
Rockwell-Härte
(HRC) von 58 bis 60 aufweisen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Härtung
eine induktive Härtung
ist, bei der jeder Hubzapfen und die beiden Übergangsbereiche an den entgegengesetzten
Stirnenden des Hubzapfens gleichzeitig mit einem einzigen Induktor
erhitzt und dann durch Zufuhr eines flüssigen Abschreckmediums abgeschreckt
werden.
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Um
die Übergangsbereiche
an den entgegengesetzten Stirnenden jedes Hubzapfens unterschiedlich
stark zu härten,
ist es dabei grundsätzlich möglich, diese Übergangsbereiche
durch gesteuerte Stromzufuhr in unterschiedliche Teile des Induktors induktiv
auf unterschiedliche Temperaturen zu erhitzen und anschließend diese Übergangsbereiche
mit gleichen Mengen Abschreckmedium zu beaufschlagen. Dies führt dazu,
dass in den Übergangsbereichen
zwischen aneinandergrenzenden Hubzapfen beim Abschrecken eine größere Restwärme zurück bleibt.
Die größere Restwärme kann
zur Verringerung der Härte
in diesen Übergangsbereichen
ausgenutzt werden, indem die Kurbelwelle anschließend unter
Nutzung der Restwärme
angelassen wird, wobei die höhere
Restkerntemperatur in den Übergangsbereichen
zwischen den aneinandergrenzenden Hubzapfen für eine stärkere Vergleichmäßigung des
Korngefüges
und damit für
eine geringere Härte sorgt.
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Bevorzugter
werden jedoch die beiden Übergangsbereiche
an den entgegengesetzten Stirnenden jedes Hubzapfens unterschiedlich
stark abgeschreckt, um die unterschiedliche Härte zu erhalten. Dazu werden
die entgegengesetzten Übergangsbereiche
vorteilhaft mit unterschiedlichen Mengen des Abschreckmediums beaufschlagt,
wobei zu den Übergangsbereichen
zwischen aneinandergrenzenden Hubzapfen weniger Abschreckmedium
zugeführt wird
als zu den wangenseitigen Übergangsbereichen.
Dies hat ebenfalls zur Folge, dass beim Abschrecken in den Übergangsbereichen
zwischen aneinandergrenzenden Hubzapfen eine größere Restwärme zurück bleibt, die bei einem anschließenden Anlassen
unter Nutzung der Restwärme
zu einer stärkeren
Vergleichmäßigung des
Korngefüges
und einer Verringerung der Härte
in diesen Übergangsbereichen
ausgenutzt werden kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Split-Pin-Kurbelwelle
eines V6-Dieselmotors;
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2 eine
vergrößerte Seitenansicht
eines Teils des Split-Pin-Kurbelwellenabschnitts aus 1;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
des Ausschnitts III in 2.
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Der
in 1 dargestellte Abschnitt einer Split-Pin-Kurbelwelle 1 eines
V6-Dieselmotors umfasst zwei zur Lagerung der Kurbelwelle 1 dienende, in
Längsrichtung
der Kurbelwelle 1 im Abstand voneinander angeordnete und
zur Drehachse der Kurbelwelle 1 koaxiale Wellenzapfen 2, 3,
zwei zwischen den Wellenzapfen 2, 3 angeordnete,
jeweils an einen der Wellenzapfen 2, 3 angrenzende
Wangen 4, 5, sowie zwei zwischen den beiden Wangen 4, 5 angeordnete,
unmittelbar an diese sowie auch aneinander angrenzende Hubzapfen 6, 7,
deren Längsmittelachsen 15, 16 in
Bezug zu einer Drehachse 8 der Kurbelwelle 1 einen
radialen Versatz und in Drehrichtung der Kurbelwelle einen Winkelversatz
aufweisen, um für
gleichmäßige Zündabstände zwischen
den Zylindern von zwei Zylinderbänken
des Motors zu sorgen.
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Wie
am besten in 1 und 2 dargestellt,
befindet sich zwischen jedem der Wellenzapfen 2, 3 und
der Hubzapfen 6, 7 einerseits sowie der zum Wellenzapfen 2, 3 bzw.
Hubzapfen 6, 7 benachbarten Wange 4, 5 andererseits,
d. h. zwischen einer zylindrischen Umfangsfläche 9 jedes Wellenzapfens 2, 3 oder
Hubzapfens 6, 7 und einer daran angrenzenden ebenen
Stirnfläche 10 der
benachbarten Wange 4, 5, ein um den Wellenzapfen 2, 3 bzw.
um den Hubzapfen 6, 7 umlaufender Übergangsbereich 11 bzw. 12. Jeder
der beiden Übergangsbereiche 11 und 12 ist mit
einem Übergangsradius
R versehen, um an diesen stark beanspruchten Stellen Spannungsspitzen zu
vermeiden und dadurch die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle 1 zu
erhöhen.
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Zwischen
den beiden aneinandergrenzenden Hubzapfen 6 und 7 ist
ebenfalls ein Übergangsbereich 13 mit
einem Übergangsradius
R vorgesehen. Wegen des Versatzes der Längsmittelachsen 15, 16 der
Hubzapfen 6, 7 setzt sich dieser Übergangsbereich 13 aus
zwei kreisbogenförmigen
Abschnitten 17, 18 zusammen, die an zwei Schnittpunkten
der Kreisbögen
unter einem spitzen Winkel zusammentreffen und dort einen so genannten Split-Pin-Zwickel 14 bilden.
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Die
zylindrischen Umfangsflächen 9 der
Wellenzapfen 2, 3 und der Hubzapfen 6, 7,
welche die Lagerflächen
der Kurbelwellenlager bzw. der Pleuellager bilden, werden ebenso
wie die beiderseits an die Umfangsflächen 9 angrenzenden Übergangsradien
R der Übergangsbereiche 11, 12, 13 induktiv
gehärtet,
wobei die in 2 und 3 schraffiert
dargestellten Härtungszonen 19 erzeugt
werden.
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Wie
in 3 dargestellt, umfasst die Härtungszone 19 jedes
Hubzapfens 6, 7 einen radial einwärts von
der Umfangsfläche 9 gelegenen
zylindrischen mittleren Abschnitt 20 mit allgemein konstanter
Härtungstiefe,
der sich über
die gesamte Breite der zylindrischen Umfangsfläche 9 des Hubzapfens 6, 7 erstreckt.
Die Härtungszone 19 umfasst
weiter einen an das wangenseitige Stirnende des mittleren Abschnitts 20 angrenzenden,
zur Längsmittelachse 15, 16 des
Hubzapfens 6, 7 koaxialen äußeren Abschnitt 21 und
einen an das entgegengesetzte Stirnende des mittleren Abschnitts 20 angrenzenden
sichelförmigen äußeren Abschnitt 22 (in 3 nur
einer sichtbar), die jeweils vom Stirnende des mittleren Abschnitts 20 weg
nach außen
gebogenen sind und sich im Querschnitt zu ihrem freien Ende hin
verjüngen.
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Während der
zylindrische mittlere Abschnitt 20 jeder Härtungszone 19 und
der wangenseitige äußere Abschnitt 21 nach
dem Härten
eine Rockwell-Härte
(HRC) von 58 bis 60 besitzen, weist der im Übergangsbereich 13 zwischen
den Hubzapfen 6, 7 gelegene äußere Abschnitt 22 nach
dem Härten
nur eine Rockwell-Härte
(HRC) von 52 bis 54 auf. Durch die relativ hohe Härte des äußeren Abschnitts 21 von jeder
Härtungszone 19 besitzen
die Übergangsbereiche 12 zwischen
jedem Hubzapfen 6, 7 und der benachbarten Wange 4, 5 eine
verhältnismäßig hohe Biegewechselfestigkeit,
so dass trotz der im Betrieb der Kurbelwelle 1 an diesen Übergangsbereichen 12 auftretenden
sehr hohen Biegebelastungen ein Versagen der Kurbelwelle 1 vermieden
werden kann. Durch die relativ geringe Härte des zum Abschnitt 21 entgegengesetzten
Abschnitts 22 von jeder Härtungszone 19 besitzt
hingegen der Übergangsbereich 13 zwischen
den benachbarten Hubzapfen 6, 7 eine verhältnismäßig hohe
Torsionsfestigkeit, so dass die im Betrieb der Kurbelwelle 1 in
diesem Übergangsbereich
auftretenden sehr hohen Torsionsbelastungen ebenfalls ohne die Gefahr
eines Versagens von der Kurbelwelle 1 aufgenommen werden können.
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Die
Härtung
der Umfangsfläche 9 jedes
Hubzapfens 6, 7 und des auf der Seite der benachbarten Wange 4, 5 an
den Hubzapfen 6, 7 angrenzenden Übergangsbereichs 12 mit
einer Rockwell-Härte (HRC)
von 58 bis 60 sowie die Härtung des an den Hubzapfen 6, 7 angrenzenden
Abschnitts 17 bzw. 18 des Übergangsbereichs 13 auf
der Seite des benachbarten Hubzapfens 7 bzw. 6 mit
einer Rockwell-Härte (HRC)
von 52 bis 54 erfolgt in einem Arbeitsgang.
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Dazu
wird auf jedem der Hubzapfen 6, 7 ein einziger
Induktor (nicht dargestellt) montiert, der es gestattet, die gesamte
Härtungszone 19 des
Hubzapfens 6, 7 auf induktivem Weg gleichzeitig
auf eine gewünschte
Temperatur zu erwärmen,
bevor der Hubzapfen 6, 7 dann mit Hilfe eines
flüssigen
Abschreckmediums abgeschreckt wird, das durch eine in den Induktor
integrierte Brause zur Umfangsfläche 9 der
Hubzapfen 6, 7 und den an die Umfangsfläche 9 angrenzenden
Oberflächen
der Übergangsbereiche 12, 13 an
den entgegbngesetzten Stirnenden jedes Hubzapfens 6, 7 zugeführt wird.
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Um
dabei für
die gewünschte
unterschiedliche Härtung
der beiden Übergangsbereiche 12 und 13 bzw.
der beiden Abschnitte 21 und 22 an den entgegengesetzten
Stirnenden der Härtungszone 19 jedes
Hubzapfens 6, 7 zu sorgen, wird der Oberfläche der
Kurbelwelle 1 im Übergangsbereich 13 zwischen den
beiden Hubzapfen 6, 7 eine geringere Menge an flüssigem Abschreckmedium
zugeführt
als dies entlang der Umfangsflächen 9 und
der wangenseitigen Übergangsbereiche 12 der
Fall ist. Auf diese Weise kann in dem Übergangsbereich 13 einerseits
für eine weniger
schroffe Abschreckung der Kurbelwelle 1 gesorgt werden,
die direkt zu einer geringeren Härte führt. Andererseits
wird durch die Zufuhr einer geringeren Menge an Abschreckmedium
weniger Wärme aus
dem Übergangsbereich 13 der
Kurbelwelle 1 abgeführt,
so dass die verbleibende größere Restwärme im Übergangsbereich 13 eine
höhere
Restkerntemperatur der Kurbelwelle 1 zur Folge hat. Diese
höhere
Restkemtemperatur führt
ebenfalls zu einer geringeren Härte
im Übergangsbereich 13,
wenn die Kurbelwelle 1 anschließend unter Nutzung ihrer Restwärme angelassen
wird. Auf der anderen Seite führt
die stärkere
Abschreckung bzw. eine durch die Zufuhr von mehr Abschreckmedium
bedingte niedrigere Restkerntemperatur entlang der Umfangsflächen 9 und
der Übergangsbereiche 12 zu
den Wangen 4, 5 für eine höhere Härte in diesen Bereichen.
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Die
Zufuhr von unterschiedlichen Mengen des Abschreckmediums in die
verschiedenen Übergangsbereiche 13 und 12 kann
zum Beispiel durch unterschiedliche Strömungsquerschnitte in der zur Zufuhr
des Abschreckmediums dienenden Brause realisiert werden, indem man
die Anzahl und/oder den Öffnungs-
bzw. Austrittsquerschnitt der zur Zufuhr des Abschreckmediums dienenden
Strömungskanäle der Brause
im Übergangsbereich 13 zwischen
den benachbartem Hubzapfen 6, 7 gegenüber der
Anzahl und/oder dem Öffnungs-
bzw. Austrittsquerschnitt der Strömungskanäle entlang des restlichen Induktors
verkleinert.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Wellenzapfen
- 3
- Wellenzapfen
- 4
- Wange
- 5
- Wange
- 6
- Hubzapfen
- 7
- Hubzapfen
- 8
- Drehachse
Kurbelwelle
- 9
- Umfangsfläche Hubzapfen
- 10
- Stirnfläche Wange
- 11
- Übergangsbereich
Wellenzapfen/Wange
- 12
- Übergangsbereich
Hubzapfen/Wange
- 13
- Übergangsbereich
Hubzapfen/Hubzapfen
- 14
- Split-Pin-Zwickel
- 15
- Längsmittelachse
Hubzapfen
- 16
- Längsmittelachse
Hubzapfen
- 17
- kreisbogenförmiger Abschnitt Übergangsbereich
- 18
- kreisbogenförmiger Abschnitt Übergangsbereich
- 19
- Härtungszone
- 20
- mittlerer
Abschnitt Härtungszone
- 21
- wangenseitiger
Abschnitt Härtungszone
- 22
- entgegengesetzter
Abschnitt Härtungszone