DE102011104400A1

DE102011104400A1 - Verfahren zum Herstellen einer Welle

Info

Publication number: DE102011104400A1
Application number: DE201110104400
Authority: DE
Inventors: Klaus Huber; Georg Seidel; Dr. Schietinger Bernd
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle (10), insbesondere einer Kurbelwelle, Exzenterwelle, Ausgleichswelle oder dgl., welche in einem Betriebszustand zumindest einen hochbelasteten Bereich (12, 14), insbesondere eine Lagerstelle (14), eine Verzahnung (12) oder dgl., aufweist, wobei die Welle (10) aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,35 Gewichtsprozent gefertigt und der zumindest eine hochbelastete Bereich (12, 14) aufgekohlt, abgekühlt und anschließend örtlich gehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, Exzenterwelle oder dergleichen.
Solche Wellen werden im Betrieb hoch beansprucht und müssen daher gehärtet werden. Dies erfolgt üblicherweise durch örtliche induktive Härtung an hochbelasteten Stellen oder durch vollständige Einsatzhärtung. Im Bereich der hochbelasteten Stellen kann so eine hohe Härte, eine hohe Verschleißbeständigkeit, eine hohe Schwingfestigkeit und eine hohe maximalertragbare Hertzsche Pressung erreicht werden. Ein solches Verfahren zum Härten von Wellen mittels Elektronenstrahlen ist aus der DE 10 2005 005 141 B3 bekannt.
Um eine solche oberflächennahe Härtung zu erreichen, muss der zum Herstellen der Welle verwendete Stahl einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,35% aufweisen, da sonst die Härtung nicht effektiv ist. Nachteiligerweise sind solche Bauteile auf Grund des erhöhten Kohlenstoffgehaltes nur sehr eingeschränkt schweißgeeignet, was ein späteres Fügen derartiger Wellen erschwert. Bei der Verwendung der Induktionshärtung werden zudem an filigranen Strukturen, zum Beispiel an Verzahnungen, nur unzureichende Härteergebnisse erreicht, da sich hier außer mit aufwändig gestalteten Induktoren keine definierten Randhärteschichten bei gleichzeitig weniger hartem Kern darstellen lassen. Daraus kann unter Umständen eine nicht hinreichende Schwingfestigkeit oder eine zu geringe ertragbare Hertzsche Pressung resultieren.
Zum Härten filigraner Bauteilstrukturen eignet sich daher das Einsatzhärten besser. Hierbei wird das Bauteil aufgekohlt und anschließend sofort abgeschreckt. Dies führt jedoch seinerseits nachteiligerweise zu einer martensitischen Umwandlung eines sehr großen Probenvolumens, was mit einer Volumenvergrößerung einher geht. Dies kann einen Bauteilverzug verursachen. Insbesondere bei Wellen mit komplexer Geometrie, beispielsweise mit einer Vielzahl von Querschnittssprüngen und/oder ungleichmäßigen Materialanhäufungen bezüglich der Mittenachse, oder auch Innenbohrungen, kann dieser negative Effekt sehr erheblich sein. Bei derartigen Wellen sind daher aufwändige Nachbearbeitungen notwendig, die einerseits unwirtschaftlich und andererseits auch technisch risikobehaftet sein können.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine verbesserte Härtung von hochbelasteten Wellen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, Exzenterwelle, Ausgleichswelle oder dergleichen, die in mindestens einem Betriebszustand zumindest einen hochbelasteten Bereich, insbesondere eine Lagerstelle, eine Verzahnung oder dergleichen aufweist, wird die Welle aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,35 Gew.-% gefertigt und der zumindest eine hochbelastete Bereich wird aufgekohlt, langsam abgekühlt und anschließend örtlich gehärtet. Mit anderen Worten erfolgt die Härtung lediglich im Bereich hoher Belastungen. In weniger belasteten Bereichen kann die Welle zwar eine Aufkohlung in Oberflächennähe aufweisen. Durch die dort nicht vollzogene Härtung ist der Bauteilverzug vernachlässigbar. Für Bereiche der Welle, die für einen späteren Schweißprozess vorgesehen sind, kann, sofern vorliegend, die ungehärtete Aufkohlungsschicht durch einen Bearbeitungsprozess entfernt werden, um die gute Schweißeignung des Grundwerkstoffes zu erhalten, wodurch ein einfaches Fügen der fertigen Welle ermöglicht wird. Das Verfahren kann daher nicht nur zur Herstellung von einstückigen, sondern auch zur Herstellung von geschweißten Wellen mit mehrfacher Funktionsausbildung, beispielsweise mit integrierter Verzahnung, integrierten Lagerstellen und dergleichen Anwendung finden.
Insgesamt ergibt sich so ein besonders wirtschaftliches Herstellungsverfahren für Wellen komplexer gestalt und/oder komplexer Funktionsanforderung. Durch die Beschränkung des Härtens auf die Funktionsbereiche, also die hochbelasteten Stellen der Welle, werden gleichzeitig Verzüge reduziert, so dass aufwändige Nachbearbeitungen entfallen können. Im Bedarfsfall erforderliche leichte Maßkorrekturen sind durch Richten oder über zerspanende Verfahren wirtschaftlich und technisch risikofrei erreichbar. Durch das zuverlässige Aufhärten hochbelasteter Bereiche können diese unmittelbar beispielsweise als Innenring einer Wälzlagerung dienen, wodurch Bauraum, Gewicht und Kosten verglichen mit der Verwendung eines separaten Innenrings eingespart werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Aufkohlungstiefe in dem zumindest einen hochbelasteten Bereich 0,2 mm bis 1,5 mm. Das Abkühlen der Wellen nach dem Aufkohlen wird vorzugsweise hinreichend langsam durchgeführt, um die eingangs geschilderten nachteiligen Effekte des unmittelbaren Abschreckens, insbesondere die großvolumige martensitische Umwandlung mit Volumenvergrößerung zu vermeiden. Spätere Richtarbeiten können daher wesentlich leichter durchgeführt werden.
Das örtliche Härten wird vorzugsweise induktiv und/oder durch Laserstrahlhärten und/oder durch Elektronenstrahlhärten durchgeführt. Das geeignete Härtungsverfahren kann dabei insbesondere je nach Geometrie der Welle gewählt werden, so dass beispielsweise besonders filigrane Bereiche strahlgehärtet werden, so dass keine aufwändigen Forminduktoren nötig werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Welle nach dem Härten angelassen. Hierdurch können Spannungen in der Welle abgebaut werden, so dass die Rissgefahr weiter vermindert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren Ausgleichswelle mit Innenbohrung;
2 die Welle gemäß 1 in einer Seitenansicht; und
3 ein Ausführungsbeispiel einer mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren Exzenterwelle.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete gekröpfte Welle, z. B. eine Kurbel- oder Ausgleichswelle. Die Welle 10 umfasst ein stirnseitiges Zahn- oder Kettenrad sowie vier Lagerstellen 14. Zur Gewichtsreduktion und/oder zur Ölversorgung und/oder zur Kühlung ist eine Innenbohrung 16 vorgesehen. An der dem Zahnrad 12 abgewandten Stirnseite 18 kann ferner eine Stirnverzahnung vorgesehen sein. Zwischen den Lagerstellen 14 sind jeweilige Materialdickensprünge 20 vorgesehen. Die Lagerstellen 14 sind dabei exzentrisch bezüglich der Mittelachse 22 der Welle 10 angeordnet.
Zur Herstellung der Welle 10 wird diese zunächst mit an sich bekannten Verfahren aus einem Stahl mit weniger als 0,35 Gew.-% Kohlenstoff geformt. Damit das Zahnrad 12 sowie die Lagerstellen 14 und gegebenenfalls eine Stirnverzahnung an der Stirnseite 18 den hohen Betriebsbelastungen standzuhalten vermögen, müssen diese gehärtet werden. Hierzu erfolgt zuerst ein Aufkohlen der Welle 10 vorzugsweise vollständig oder auch nur beschränkt auf die lokalen Bereiche der Lagerstellen 14, des Zahnrads 12 und gegebenenfalls der Stirnseite 18. Um eine starke Volumenvergrößerung durch großvolumige martensitische Umwandlungen zu vermeiden erfolgt anschließend ein hinreichend langsames Abkühlen der Welle 10.
Die zu härtenden Bereiche an der Außenoberfläche, die in den Figuren durch strichpunktierte Linien angedeutet sind, werden anschließend induktiv oder durch ein Strahlhärteverfahren aufgehärtet. Hierdurch wird in den Lagerstellen 14 sowie am Zahnrad 12 und gegebenenfalls am Stirnrad 18 die notwendige Oberflächenhärte und Härtetiefe erzielt. Gleichzeitig können große Materialverzüge vermieden werden. Durch die Verwendung eines Stahls mit weniger als 0,35 Gew.-% Kohlenstoff kann zudem in den nicht gehärteten Bereichen die Schweißbarkeit der Welle erhalten bleiben. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn an der Stirnseite 18 keine Stirnverzahnung vorgesehen ist. In diesem Fall wird dort die Aufkohlung an der Stelle 18 örtlich unterbunden, z. B. durch Abdecken während des Aufkohlungsprozesses. Alternativ wird im Falle einer vollständigen Aufkohlung des Bauteils die kohlenstoffreiche, ungehärtete Schicht vor dem Schweißprozess abgearbeitet. Somit bleibt die Stirnseite 18 gut schweißbar und kann zum Fügen der Welle 10 mit weiteren Komponenten verwendet werden. Dies kann beispielsweise bei der Herstellung gebauter Wellen sinnvoll sein.
2 zeigt die Welle gemäß 1 nochmals in einer Seitenansicht.
3 zeigt eine alternative Welle, die auf die gleiche Art herstellbar ist. Hierbei handelt es sich um eine Exzenterwelle, wobei die Lagerstellen 14 abwechselnd Hauptlagerstellen der Welle und Lagerstellen für dort anzubringende Schubstangen und/oder Pleuelstangen und/oder Gewichte, die dann exzentrisch gegenüber der Drehachse der Welle 10 gelagert sind, darstellen. Auch hier kann die Kombination von Aufkohlen im Bereich der Lagerstellen 14, langsamem Abkühlen und anschließendem induktiven Härten oder Strahlhärten Anwendung finden, um eine lokal widerstandsfähige, gleichzeitig schweißbare, verzugsarm und prozesssicher herstellbare Welle 10 zu realisieren.
Bezugszeichenliste

10: Welle
12: Zahnrad
14: Lagerstelle
16: Innenbohrung
18: Stirnseite
20: Materialdickensprung
22: Mittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005005141 B3 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Welle (10), insbesondere einer Kurbelwelle, Exzenterwelle, Ausgleichswelle oder dgl., welche in einem Betriebszustand zumindest einen hochbelasteten Bereich (12, 14), insbesondere eine Lagerstelle (14), eine Verzahnung (12) oder dgl., aufweist, wobei die Welle (10) aus einem Stahl mit weniger als 0,35 Gew.-% Kohlenstoff gefertigt, dann partiell oder vollständig aufgekohlt wird und anschließend in dem wenigstens einen hochbelasteten Bereich (12, 14) örtlich gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Welle eine komplexe Bauteilgeometrie mit Querschnittssprüngen und/oder ungleichmäßigen Materialanhäufungen bzgl. der Mittenachse und/oder Innenbohrungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gehärtete Wellenbereich gleichzeitig als Innenring einer Wälzlagerung dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine hochbelastete Bereich (12, 14) aufgekohlt, zur Vermeidung großvolumiger, martensitischer Gefügeumwandlung hinreichend langsam abgekühlt und anschließend örtlich gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkohlungstiefe in dem zumindest einen hochbelasteten Bereich (12, 14) 0,2 mm bis 1,5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das örtliche Härten induktiv und/oder durch Laserstrahlhärten und/oder Elektronenstrahlhärten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) nach dem Härten angelassen wird.