DE102010001283A1

DE102010001283A1 - Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102010001283A1
Application number: DE102010001283A
Authority: DE
Inventors: Dr. Laag Reinhard
Original assignee: Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH; Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Current assignee: Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH; Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011092222A1

Abstract

Bei einer Kurbelwelle mit einem Grundkörper aus einem metallischen Material, welcher wenigstens zwei Hauptlager und wenigstens ein Pleuellager aufweist, weist wenigstens eines der Hauptlager und/oder Pleuellager eine Beschichtung aus einem Material auf, welches einen höheren Elastizitätsmodul als das Material des Grundkörpers der Kurbelwelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle mit einem Grundkörper aus einem metallischen Material, welcher wenigstens zwei Hauptlager und wenigstens ein Pleuellager aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle, wobei in einem ersten Schritt ein Grundkörper aus einem metallischen Material hergestellt wird, welcher wenigstens zwei Hauptlager und wenigstens ein Pleuellager aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind die verschiedensten Ausführungen von Kurbelwellen bekannt. Während die Torsionsfestigkeit und die Dauerfestigkeit von modernen Kurbelwellen meist weniger problematisch sind, führt die erforderliche Biegesteifigkeit von Kurbelwellen häufig zu Problemen bei der Dimensionierung der insbesondere bei Dieselmotoren mit hohen Drehmomenten stark beanspruchten Lagerstellen. Meist hat dies verhältnismäßig große Lagerdurchmesser zur Folge, die mit einer entsprechenden Zunahme der Masse der Kurbelwelle verbunden sind.
In der DE 10 2007 018 230 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle aus ADI-Guss beschrieben, bei welchem nach einer ADI-Wärmebehandlung eine dünne Beschichtung auf die Lagerflächen aufgebracht wird, um eine mechanische Bearbeitung der Lagerflächen zu ermöglichen, d. h. die Beschichtung sollte besser bearbeitbar sein als das Grundmaterial der Kurbelwelle. Auf diese Weise soll die Maßhaltigkeit der Lagerflächen für Pleuel und Wellenlager auf einfache Weise gewährleistet werden.
Aus der DE 10 2006 061 499 A1 ist eine Kurbelwelle bekannt, deren Zapfen mit Lagerwerkstoff beschichtet sind. Bei dem Lagerwerkstoff kann es sich um Weißmetall, um eine Kupferlegierung oder um eine Aluminiumlegierung handeln, wobei der Lagerwerkstoff weicher als die Gegenlauffläche des Lagers ist, wodurch im Kurbelgehäuse und im Pleuel auf Lagerschalen verzichtet werden kann.
Eine Gleitschicht für Gleitlager, insbesondere für Kurbelwellen- oder Pleuellager, ist aus der DE 10 2004 045 110 B3 bekannt. Diese Gleitschicht wird demnach nicht auf die Kurbelwelle, sondern auf das Gegenstück, also beispielsweise auf das Kurbelgehäuse, aufgebracht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurbelwelle und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, welche bei zumindest nicht erhöhten Außenmaßen eine höhere Biegesteifigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung aus dem Material, welches einen höheren Elastizitätsmodul als das Material des Grundkörpers der Kurbelwelle aufweist, auf wenigstens einer der Lagerstellen ergibt sich vorteilhafterweise eine Erhöhung der Biegesteifigkeit der Kurbelwelle in diesem Bereich. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass der Radius mit der 4. Potenz in die Berechnung der Biegesteifigkeit eingeht, weshalb eine Beschichtung aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul gerade am äußeren Umfang der Lagerstelle eine besonders hohe Wirkung hat. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass diese Erhöhung der Biegesteifigkeit keine Erhöhung des Durchmessers der Lagerstelle und somit, je nach dem für die Beschichtung verwendeten Werkstoff, auch keine oder nur eine geringe Erhöhung der Masse der Kurbelwelle zur Folge hat.
Durch die Erhöhung der Biegesteifigkeit der Kurbelwelle ergibt sich auch eine größere Laufruhe derselben und somit der gesamten mit der Kurbelwelle ausgestatteten Brennkraftmaschine, so dass möglicherweise auf bislang verbaute Ausgleichswellen verzichtet werden kann, was erhebliche Kosteneinsparungen möglich macht. Eine solche Kosteneinsparung kann eventuelle Mehrkosten für die erfindungsgemäße Beschichtung bei Weitem aufheben.
Je nach dem für die Beschichtung verwendeten Werkstoff kann es sogar möglich sein, auf eine induktive oder eine auf andere Art und Weise durchgeführte Härtung der Kurbelwelle und auf das nachfolgende Entspannungsglühen sowie möglicherweise auch auf ein anschließendes Festwalzen zu verzichten, was eine erhebliche Vereinfachung der Herstellung der Kurbelwelle zur Folge hat und somit deren Herstellungskosten stark verringern kann.
Hinsichtlich der Erhöhung der Biegesteifigkeit der Kurbelwelle einerseits und dem verfahrensmäßigen Aufwand andererseits hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beschichtung eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 4,5 mm, aufweist.
Obwohl es im Prinzip auch möglich ist, lediglich eines oder ganz bestimmte einzelne der Lager der erfindungsgemäßen Kurbelwelle mit der Beschichtung zu versehen, beispielsweise wenn es sich um einzelne, besonders hoch belastete Lagerstellten handelt, ist es im Hinblick auf die Erhöhung der Biegesteifigkeit der gesamten Kurbelwelle sowie im Hinblick auf eine Vereinfachung des Verfahrens jedoch besonders vorteilhaft, wenn mehrere Hauptlager und/oder Pleuellager die Beschichtung aufweisen.
Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung an einem von einem der Hauptlager und/oder Pleuellager in wenigstens eine Kurbelwange übergehenden Radius vorgesehen ist. Da gerade die von den Lagerstellen in die Kurbelwangen übergehenden, vorzugsweise als Radien ausgeführten Übergangsbereiche einer besonders hohen Belastung ausgesetzt sind, ist auf diese Weise eine Erhöhung der Biegesteifigkeit in den genannten Bereichen möglich.
Um die Beschichtung in besonders einfacher Weise auf das Material des Grundkörpers aufbringen zu können, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Material der Beschichtung ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram, Kobalt, Molybdän, Beryllium, Aluminium, Titan, Eisen oder Legierungen, die wenigstens einen dieser Werkstoffe aufweisen, besteht. Entscheidend ist, dass der Elastizitätsmodul des verwendeten Materials höher ist als der Elastizitätsmodul des Materials des Grundkörpers.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Material der Beschichtung ein keramischer Werkstoff ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Wolframkarbid und Borkarbid besteht. Derartige keramische Werkstoffe weisen ein sehr gutes Verhältnis von hohem Elastizitätsmodul zu niedriger Dichte auf und bieten sich daher zur Erhöhung der Biegesteifigkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Masse der Kurbelwelle an.
Wenn des weiteren vorgesehen ist, dass der Grundkörper zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Eisen- oder Aluminiumwerkstoff besteht, so kann auf bewährte Techniken zur Herstellung des Grundkörpers zurückgegriffen werden.
Um einen ausreichend großen Effekt beim Einsatz der erfindungsgemäßen Beschichtung zu erzielen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elastizitätsmodul der Beschichtung mindestens 10 kN/mm² größer ist als das Material des Grundkörpers.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle ist in Anspruch 9 angegeben.
Mittels dieses Verfahrens lässt sich die erfindungsgemäße Kurbelwelle auf sehr einfache Weise herstellen, wobei in Abhängigkeit von dem für die Beschichtung verwendeten Material möglicherweise auf ein oder mehrere bislang erforderliche Verfahrensschritte, wie beispielsweise Härten, Entspannungsglühen und Festwalzen, verzichtet werden kann. Auf diese Weise ergibt sich ein weiteres Potenzial zur Einsparung von Kosten.
Im Hinblick auf die Aufbringung der Beschichtung auf den Grundkörper der Kurbelwelle kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen sein, dass die Beschichtung mittels thermischem Spritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Verdüsen aus der Schmelze, Plasmabeschichten oder Laserumschmelzen aufgebracht wird.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle;
2 eine vergrößerte Darstellung einer Lagerstelle der erfindungsgemäßen Kurbelwelle;
3 eine Prinzipdarstellung eines Schritts bei der Aufbringung der erfindungsgemäßen Beschichtung auf einen Abschnitt der erfindungsgemäßen Kurbelwelle; und
4 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Vorteile der erfindungsgemäßen Beschichtung.
1 zeigt eine Kurbelwelle 1, welche in an sich bekannter Weise mehrere Lagerstellen, nämlich mehrere Hauptlager 2 und mehrere Pleuellager 3, aufweist. Zwischen den Hauptlagern 2 und den Pleuellagern 3 befinden sich jeweilige Kurbelwangen 4. Hierbei spielt die Anzahl der Hauptlager 2 und die Anzahl der Pleuellager 3 keine Rolle, d. h. die Kurbelwelle 1 könnte auch verschiedene andere Formen bzw. Konfigurationen als die dargestellte aufweisen.
In 2 ist eine der Lagerstellen, im vorliegenden Fall eines der Hauptlager 2, vergrößert und im Schnitt dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die Kurbelwelle 1 einen Grundkörper 5 aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Oberfläche mit einer Beschichtung 6 versehen ist. Die Beschichtung 6 besteht aus einem Material, welches einen höheren Elastizitätsmodul als das Material des Grundkörpers 5 der Kurbelwelle 1 aufweist. Hierbei ist der Elastizitätsmodul des Materials der Beschichtung 6 vorzugsweise mindestens 10 kN/mm² größer als der Elastizitätsmodul des Materials des Grundkörpers 5, vorzugsweise ist der Unterschied zwischen den Elastizitätsmoduln der verwendeten Materialien jedoch erheblich größer. Die Beschichtung 6 weist eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 4,5 mm, auf.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist lediglich das Hauptlager 2 mit der Beschichtung 6 dargestellt, es wäre jedoch selbstverständlich auch möglich, lediglich die Pleuellager 3 oder sowohl die Hauptlager 2 als auch die Pleuellager 3 mit der Beschichtung 6 zu versehen. Auch eine auf der gesamten Oberfläche des Grundkörpers 5 vorgesehene Beschichtung 6 oder eine Beschichtung einzelner Hauptlager 2 und/oder Pleuellager 3 ist denkbar.
Des weiteren ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform an beiden von dem Hauptlager 2 in die jeweilige Kurbelwange 4 übergehenden Radien 7 die Beschichtung 6 vorgesehen. Die Beschichtungen 6 im Bereich der Radien 7 tragen zur Stützwirkung und damit zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Kurbelwelle 1 bei. Hierbei ist die Beschichtung 6 vorzugsweise bis zu einer Höhe von ca. 50% der jeweiligen Kurbelwange 4 vorgesehen, d. h. es ist auch ein gewisser Teil der Kurbelwange 4 mit der Beschichtung 6 versehen.
Bei dem Material der Beschichtung 6 kann es sich um ein Metall handeln, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram, Kobalt, Molybdän, Beryllium, Aluminium, Titan, Eisen oder Legierungen, die wenigstens einen dieser Werkstoffe aufweisen, besteht. Die Verwendung eines metallischen Werkstoffs für die Beschichtung 6 ermöglicht besonders einfache Herstellungsverfahren, von denen zu einem späteren Zeitpunkt einige beschrieben sind.
Alternativ hierzu kann das Material der Beschichtung 6 ein keramischer Werkstoff sein, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Wolframkarbid und Borkarbid besteht.
Der Grundkörper 5 besteht im vorliegenden Fall zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Eisen- oder Aluminiumwerkstoff.
In 3 ist ein Schritt eines Verfahrens zur Herstellung der Kurbelwelle 1 dargestellt. In einem ersten Schritt wird mittels eines an sich bekannten Verfahrens, wie beispielsweise Gießen oder Schmieden, der Grundkörper 5 aus einem metallischen Material hergestellt, wobei die Verwendung eines gegossenen Grundkörpers 5 für die Kurbelwelle 1 eine akustische Dämpfung bewirkt. In dem dargestellten zweiten Schritt wird auf den Grundkörper 5, insbesondere auf wenigstens eines der Hauptlager 2 und/oder auf wenigstens eines der Pleuellager 3 die Beschichtung 6 aufgebracht. Hierzu ist im vorliegenden Fall eine Auftragsvorrichtung 8 vorgesehen, welche einen mit dem Bezugszeichen 9 bezeichneten Strahl auf den Grundkörper 5 aufbringt, der die Beschichtung 6 bildet. Die Beschichtung 6 kann beispielsweise mittels thermischem Spritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Verdüsen aus der Schmelze, Plasmabeschichten oder Laserumschmelzen aufgebracht werden.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Beschichtung 6 besteht darin, diese durch thermisches Spritzen aufzubringen. Hierbei wird ein beispielsweise draht- oder pulverförmiges Beschichtungsmaterial in einer Gasflamme, einem Lichtbogen oder einem Plasma aufgeschmolzen, von einem Gasstrahl zerstäubt und mit hoher Geschwindigkeit auf den Grundkörper 5 geschleudert. Durch adhäsive Sekundärbindungen ergibt sich eine Anhaftung des Materials der Beschichtung 6 auf dem Grundkörper 5, wobei, insbesondere bei einer entsprechenden Vorwärmung des Grundkörpers 5, auch primäre Bindungswechselwirkungen vorhanden sein können. Es lassen sich nicht nur die oben genannten metallischen Werkstoffe, sondern auch die ebenfalls oben genannten keramischen Werkstoffe mittels thermischem Spritzen auf den Grundkörper 5 aufbringen. Beim Plasmaspritzen können besonders gute Beschichtungsergebnisse und entsprechend hochwertige Oberflächen der Beschichtung 6 erhalten werden, wenn der Grundkörper 5 erwärmt und der Beschichtungsvorgang in einer geeigneten Kammer in Inertgasatmosphäre durchgeführt wird. Eine solche Vorgehensweise führt zu einem geringen Oxidgehalt bzw. im Idealfall zu einer völligen Oxidfreiheit, einer geringen Porosität und einer hohen Haftung der Beschichtung 6.
Bei dem auch als HVOF-Spritzen (High Velocity Oxygen Fuel spraying) bezeichneten, ebenfalls zur Aufbringung der Beschichtung 6 geeigneten Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, das eine Variante des normalen Flammspritzens darstellt, werden pulverförmige Beschichtungswerkstoffe mit sehr hoher Geschwindigkeit auf den Grundkörper 5 aufgetragen. Dabei ist ein nicht dargestellter, eine Brennkammer aufweisender Brenner vorgesehen, der eine gasförmige oder flüssige Brenngas-Sauerstoff-Flamme mit Überschallgeschwindigkeit austreten lässt und eine fest haftende, dichte und gleichermaßen porenarme Beschichtung 6 erzeugt, die außerdem geringe innere Spannungen aufweist und daher in einer sehr großen Dicke auf den Grundkörper 5 aufgebracht werden kann. Durch das mit der hohen Geschwindigkeit austretende Gasgemisch werden die Pulverpartikel beschleunigt und treffen mit hoher kinetischer Energie aber relativ geringer Temperatur auf die Oberfläche des Grundkörpers 5 auf, wodurch die Partikel stark abgeflacht werden. Durch die relativ geringe Temperatur der Partikel weist die Beschichtung 6 eine prognostizierbare chemische Zusammensetzung auf, wird nur geringfügig metallurgisch verändert, ist nahezu homogen und hat einen feinkörnigen Aufbau. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Wirtschaftlichkeit im besonderen Maße aus.
Bei dem Verdüsen aus der Schmelze, das auch als Osprey-Verfahren bekannt ist, wird ein flüssiger Metallstrahl durch ein Inertgas zerstäubt und die Beschichtung 6 unter Nutzung der kinetischen Energie und des Wärmeinhalts der Partikel gebildet. Die heißen Partikel kompaktieren beim Auftreffen auf den Grundkörper 5 der Kurbelwelle 1 und bilden so die Beschichtung 6.
Bei dem Verfahren der Plasmabeschichtung wird die Beschichtung 6 durch die Einwirkung einer elektrischen Spannung aus einem Plasma extrahiert und der Grundkörper 5 wird mit der Beschichtung 6 überzogen. Hierzu wird der Grundkörper 5 in eine Vakuumkammer eingebracht. Nach der Evakuierung der Kammer wird ein Arbeitsgas, meist Argon, in dieselbe eingelassen und durch Eintrag von Energie, zum Beispiel durch elektrische Entladung, Mikrowellen oder Hochfrequenz, wird ein Niederdruck-Plasma gezündet. Nach der Einleitung des Arbeitsgases können weitere Gase, beispielsweise Methan, Ethin oder Stickstoff in die Kammer eingeleitet werden. In der Kammer wird das Beschichtungsmaterial, beispielsweise ein Metall oder eine ein Metall aufweisende Verbindung, bei Temperaturen in einem Bereich von vorzugsweise 200–500°C zerstäubt und es schlägt sich als die Beschichtung 6 auf dem Material des Grundkörpers 5 nieder.
Das Material der Beschichtung 6 kann auch mit einem Laser, insbesondere mit einem CO₂-Laser, im Zuge der Durchführung des Beschichtungsverfahrens behandelt werden. Hierbei kann die Beschichtung 6 beispielsweise in Pulver- oder Pastenform in einem einstufigen Verfahren über eine Düse in das vom Laserstrahl erzeugte Schmelzbad zugeführt oder in einem zweistufigen Verfahren durch Plasmaspritzen aufgebracht und mit dem Laserstrahl nachbehandelt werden. Hierfür sind insbesondere keramische Werkstoffe gut geeignet. Wenn das Material der Beschichtung 6 in Pastenform aufgebracht und mit dem Laserstrahl auf den Grundkörper 5 der Kurbelwelle 1 beschichtet wird, können auch inhomogene Werkstoffgemische verarbeitet werden. Die Leistung und die Verfahrgeschwindigkeit des Lasers können dabei in Abhängigkeit des für die Beschichtung 6 verwendeten Materials und des Materials des Grundkörpers 5 der Kurbelwelle 1 variieren. Ein besonderer Vorteil beim Einsatz eines Laserstrahls zur Aufbringung der Beschichtung 6 ist die niedrige Wärmebelastung der Kurbelwelle 1 und die örtlich eng begrenzte Einwirkung des Laserstrahls.
Um eine ausreichend gute Haftung der Beschichtung 6 auf dem Grundkörper 5 zu gewährleisten, kann vor der Durchführung jedes der oben erläuterten Beschichtungsverfahren eine Reinigung der Oberfläche des Grundkörpers 5 sinnvoll sein. Eine solche Reinigung kann mit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen durchgeführt werden. Zusätzlich können auch bestimmte die zu behandelnde Oberfläche aktivierende und/oder haftverbesserende Vorbehandlungen der Oberfläche des Grundkörpers 5 vorgenommen werden.
4 zeigt an dem Beispiel einer einseitig eingespannten und mit einer Kraft F beaufschlagten Welle, die stellvertretend für die Kurbelwelle 1 steht, die Wirksamkeit der Beschichtung 6. Hierbei weist der Grundkörper 5 einen Radius r auf und ist mit der Beschichtung 6 versehen, die eine Dicke d aufweist. Einschließlich der Beschichtung 6 weist die Welle somit den Radius R auf, der sich also aus der Summe r + d ergibt. Bei einer unbeschichteten Welle ergibt sich die Biegesteifigkeit B = E₁·I_ges = E₁·π/4·R₄, wobei

E₁: = Elastizitätsmodul des Materials der Welle
I_ges: = gesamtes Flächenträgheitsmoment
R: = äußerer Radius.

Bei der in 4 dargestellten, mit der Beschichtung 6 versehenen Welle, die denselben Radius R wie die unbeschichtete Welle aufweist, ergibt sich die Biegesteifigkeit B = E₁·I₁ + E₂·I₂ = E₁·π/4·r⁴ + E₂·π/4·(R⁴ – r⁴), wobei

E₁: = Elastizitätsmodul des Materials des Grundkörpers 5
I₁: = Flächenträgheitsmoment des Grundkörpers 5
E₂: = Elastizitätsmodul des Materials der Beschichtung 6
I₂: = Flächenträgheitsmoment der Beschichtung 6
r: = Radius des Grundkörpers 5
R: = Radius des Grundkörpers 5 + Dicke der Beschichtung 6

Nachfolgend sind beispielhaft einige für die Beschichtung 6 verwendbare Materialien und deren Werkstoffkennwerte Elastizitätsmodul und Dichte sowie für die Materialauswahl relevante Verhältnisse zwischen Elastizitätsmodul und Dichte aufgeführt:

Werkstoff	Elastizitätsmodul E in kN/mm²	Dichte ρ in kg/m³	E/ρ	E/ρ²
Wolfram	411	19300	21,3	1,1
Kobalt	209	8900	23,5	2,6
WC-10% Co	570	14500	39,3	2,7
Molybdän	330	10300	32,0	3,1
Stahl	210	7800	26,9	3,5
Aluminium	70	2700	25,9	9,6
Silizium	150	2330	64,4	27,6
Aluminiumnitrid	300	3200	93,8	29,3
Siliziumnitrid	170	2400	70,8	29,5
Aluminiumoxid	400	3500	114,3	32,7
Siliziumcarbid	400	3100	129,0	41,6
Borcarbid	450	2400	187,5	78,1

Für die Verwendung von Wolfram für die Beschichtung 6 einer einen aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Grundkörper 5 aufweisenden Kurbelwelle 1 ergeben sich folgende Werte:

Pleuellager: R = 27 mm

Schichtdicke d Biegesteifigkeitserhöhung in % Massenzunahme in %

0,5 6,5 5,3

1 12,7 10,4

2 24,0 20,5

4 42,8 39,4

Hauptlager: R = 33,5 mm

Schichtdicke d Biegesteifigkeitserhöhung in % Massenzunahme in %

0,5 5,3 4,3

1 10,3 8,4

2 19,7 16,6

4 36,1 32,2
Hierbei wies also der Grundkörper 5 einen Elastizitätsmodul von 210 kN/mm² und eine Dichte von 7800 kg/m³ und die Beschichtung 6 einen Elastizitätsmodul von 400 kN/mm² und eine Dichte von 19000 kg/m³ auf. Es ist zu erkennen, dass sich bei der Verwendung von Wolfram für die Beschichtung 6 zwar die Masse der Kurbelwelle 1 erhöht, die Erhöhung der Biegesteifigkeit jedoch größer als diejenige der Masse ist.
Für die Verwendung von Siliziumcarbid für die Beschichtung 6 einer einen aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Grundkörper 5 aufweisenden Kurbelwelle 1 ergeben sich folgende Werte:

Pleuellager: R = 27 mm

Schichtdicke d Biegesteifigkeitserhöhung in % Massenzunahme in %

0,5 8,2 –2,2

1 16,0 –4,3

2 30,3 –8,4

4 54,1 –16,2

Hauptlager: R = 33,5 mm
Schichtdicke d	Biegesteifigkeitserhöhung in %	Massenzunahme in %
0,5	6,7	–1,7
1	13,0	–3,5
2	24,9	–6,8
4	45,6	–13,2

In diesem Fall wies der Grundkörper 5 wiederum einen Elastizitätsmodul von 210 kN/mm² und eine Dichte von 7800 kg/m³ auf, wohingegen die Beschichtung 6 einen Elastizitätsmodul von 450 kN/mm² und eine Dichte von 3200 kg/m³ aufwies. Für die Verwendung von Siliziumcarbid ergibt sich bei einer sehr starken Erhöhung der Biegesteifigkeit sogar eine Abnahme der Masse, da Siliziumcarbid eine geringere Dichte als das in diesem Fall für den Grundkörper 5 verwendete Stahlmaterial aufweist.
Aus den oben stehenden Tabellen wird außerdem deutlich, dass die Dicke d der Beschichtung 6 einen erheblichen Einfluss auf die Erhöhung der Biegesteifigkeit der jeweiligen Lagerstelle 2 bzw. 3 und somit der gesamten Kurbelwelle 1 hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007018230 A1 [0003]
DE 102006061499 A1 [0004]
DE 2004045110 B3 [0005]

Claims

Kurbelwelle mit einem Grundkörper aus einem metallischen Material, welcher wenigstens zwei Hauptlager und wenigstens ein Pleuellager aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Hauptlager (2) und/oder Pleuellager (3) eine Beschichtung (6) aus einem Material aufweist, welches einen höheren Elastizitätsmodul als das Material des Grundkörpers (5) der Kurbelwelle (1) aufweist.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 4,5 mm, aufweist.
Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hauptlager (2) und/oder Pleuellager (3) die Beschichtung (6) aufweisen.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) an wenigstens einem von einem der Hauptlager (2) und/oder Pleuellager (3) in eine Kurbelwange (1) übergehenden Radius (7) vorgesehen ist.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (6) ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram, Kobalt, Molybdän, Beryllium, Aluminium, Titan, Eisen oder Legierungen, die wenigsten einen dieser Werkstoffe aufweisen, besteht.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (6) ein keramischer Werkstoff ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Wolframkarbid und Borkarbid besteht.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (5) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Eisen- oder Aluminiumwerkstoff besteht.
Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Materials der Beschichtung (6) mindestens 10 kN/mm² größer ist als der Elastizitätsmodul des Materials des Grundkörpers (5).
Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle, wobei in einem ersten Schritt ein Grundkörper aus einem metallischen Material hergestellt wird, welcher wenigstens zwei Hauptlager und wenigstens ein Pleuellager aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens eines der Hauptlager (2) und/oder Pleuellager (3) eine Beschichtung (6) aus einem Material aufgebracht wird, welches einen höheren Elastizitätsmodul als das Grundmaterial des Grundkörpers (5) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) mittels thermischem Spritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Verdüsen aus der Schmelze, Plasmabeschichten oder Laserumschmelzen aufgebracht wird.