DE102012015445A1 - Rolling bearing-supported shaft comprises shaft body made of first material, comprising bearing points respectively having running surface for rolling bodies, which is applied as layer of thermally sprayed second material on shaft body - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine wälzgelagerte Welle und ein Herstellverfahren für eine solche Welle.The invention relates to a roller bearing shaft and a manufacturing method for such a shaft.
Wellen, insbesondere Kurbelwellen für Hubkolbenmaschinen wie Verbrennungsmotoren, können im Vergleich zu einer Gleitlagerung in einer Wälzlagerung relativ spielarm, verschleißarm und leichtgängig gelagert werden.Shafts, in particular crankshafts for reciprocating engines such as internal combustion engines, can be stored relatively free of play, wear and smooth running in comparison to a plain bearing in a rolling bearing.
Gleitlager sind jedoch, da sie in der Regel aus teilbaren Lagerschalen bestehen, leichter zu montieren. Soll eine Wälzlagerung mit Standardlagern, die aus Innenring, Wälzkörpern und Außenring bestehen, für die Lagerung eines innenliegenden Wellenabschnitts verwendet werden, so gibt es für die Montage zwei Möglichkeiten: Entweder die Welle oder der Lagerinnenring müssen teilbar ausgeführt sein, wobei beides mit erhöhten Kosten und einem dramatischen Verlust an Steifigkeit und Zuverlässigkeit verbunden ist, wobei Probleme im Betrieb vor Allem an den Verbindungsstellen der beiden Innenring- und/oder Wellenteile auftreten.Plain bearings are, however, since they usually consist of separable bearings, easier to assemble. If a rolling bearing with standard bearings, which consist of inner ring, rolling elements and outer ring, be used for the storage of an internal shaft section, there are two options for mounting: either the shaft or the bearing inner ring must be made divisible, both with increased costs and a dramatic loss of rigidity and reliability is associated with problems in operation especially at the joints of the two inner ring and / or shaft parts occur.
Aufgrund der beschriebenen Nachteile sind Wälzlagerungen im Verbrennungsmotorenbau bisher nicht weit verbreitet, jedoch bieten diese großes Potential im Hinblick auf Downsizing und ständig steigende Literleistungen.Due to the described disadvantages rolling bearings in internal combustion engine construction are not widely used, but they offer great potential in terms of downsizing and ever-increasing liter performance.
So weisen Wälzlagerungen bei geeigneter Schmierung eine deutlich geringere Lagerreibung als Gleitlager auf, sind auch beim Kaltstart verschleißarm und leichtgängig und benötigen keine so aufwändige Schmiereinrichtungen wie eine Gleitlagerung, wodurch tendenziell kleinere Schmierstoffpumpen eingesetzt werden können.Rolling bearings, with suitable lubrication, have a significantly lower bearing friction than plain bearings, are wear-resistant and smooth-running even during cold starts and do not require such complex lubricating devices as slide bearings, as a result of which relatively small lubricant pumps can be used.
Aus dem Stand der Technik sind wälzgelagerte Wellen, insbesondere Kurbelwellen, bekannt, bei denen ein Lagerinnenring direkt auf dem Wellenkörper gefertigt ist.Roller bearings, in particular crankshafts, are known from the prior art, in which a bearing inner ring is manufactured directly on the shaft body.
Die
Ferner offenbart die
Ferner offenbart die
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte wälzgelagerte Welle bereitzustellen, die einteilig, verschleißbeständig, bauraumsparend und kostengünstig herstellbar ist.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide an improved roller bearing shaft, which is one-piece, wear-resistant, space-saving and inexpensive to produce.
Diese Aufgabe wird durch eine wälzgelagerte Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a roller bearing shaft with the features of
Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe ein Herstellverfahren für eine erfindungsgemäße wälzgelagerte Welle bereitzustellen, das die Herstellung einer Welle mit hohen Toleranzen, geringem Zerspanaufwand und mit wenigen Schritten ermöglicht.In addition, the task results to provide a manufacturing method for a roller bearing shaft according to the invention, which allows the production of a shaft with high tolerances, low Zerspanaufwand and with a few steps.
Diese Aufgabe wird durch ein Herstellverfahren für eine wälzgelagerte Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.This object is achieved by a manufacturing method for a roller bearing shaft with the features of claim 6.
Weiterbildungen der Welle und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the shaft and the method are set forth in the subclaims.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen wälzgelagerten Welle weist einen Wellenkörper aus einem ersten Werkstoff mit Lagerstellen mit jeweils einer Lauffläche für Wälzkörper auf. Die Lauffläche ist hierbei als eine Schicht eines thermisch gespritzten zweiten Werkstoffes zumindest im Bereich der jeweiligen Lagerstelle auf den Wellenkörper aufgebracht.A first embodiment of the roller bearing shaft according to the invention has a shaft body made of a first material with bearing points, each with a running surface for rolling elements. In this case, the running surface is applied to the shaft body as a layer of a thermally sprayed second material at least in the area of the respective bearing point.
Die Lagerstelle bildet bei der erfindungsgemäßen Welle den Innenring eines Wälzlagers, wodurch der von der Wälzlagerung beanspruchte Bauraum, verglichen mit dem Einsatz von Standard-Lagern, verringert wird. Zudem vereinfacht ein integrierter Innenring die Montage einer solchen Welle, da so nur der Außenring des Lagers geteilt ausgeführt sein kann. Ferner kann auch der Wellenkörper aufgrund dessen einteilig ausgeführt sein und ist nicht wie bei bekannten Konstruktionen axial geteilt. Der in die Welle integrierte Innenring stellt auch einen sekundären Kostenvorteil dar, da die Bauteilanzahl reduziert und komplexe Bauteile, wie ein geteilter Wellenkörper, vermieden werden können.The bearing point forms in the shaft according to the invention, the inner ring of a rolling bearing, whereby the space occupied by the rolling bearing space, compared with the use of standard bearings, is reduced. In addition, an integrated inner ring simplifies the assembly of such a shaft, since so only the outer ring of the bearing can be made split. Furthermore, the shaft body can be made in one piece because of this and is not divided axially as in known constructions. The inner ring integrated in the shaft also provides a secondary cost advantage, since the number of parts can be reduced and complex components, such as a split shaft body, can be avoided.
Durch thermisches Spritzen lassen sich sehr verschleißfeste und durch Verankerung oder Verklammerung der Schicht mit dem Substrat gut haftende Schichten mit einer Schichtdicke bis zu 5 mm erzeugen. Die Schicht, die bei der erfindungsgemäßen Welle die Lauffläche bildet, kann vorteilhaft eine Dicke zwischen 0,1 und 0,5 mm aufweisen.By thermal spraying very wear-resistant and by anchoring or clamping the layer with the substrate well adhering layers can be produced with a layer thickness up to 5 mm. The layer which forms the running surface in the shaft according to the invention can advantageously have a thickness of between 0.1 and 0.5 mm.
Eine derartige, d. h., aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bestehende Welle kann vorteilhaft so ausgelegt sein, dass verschiedene Wellenbereiche, z. B. die Kurbelwangen, Hauptlagerzapfen und Pleuellagerzapfen bei einer Kurbelwelle, jeweils aus einem an die spezifischen Anforderungen angepassten Werkstoff hergestellt sein können. So sollen die Lagerzapfen über eine hohe Härte und Abriebsbeständigkeit verfügen, während die Kurbelwangen und der Wellenkörper etwa über eine hohe Festigkeit und entsprechend hohe Dichte verfügen sollen. Diese große Bandbreite an Werkstoffanforderungen lässt sich mit nur einem Basis-Werkstoff, auch wenn dieser in unterschiedlichen Wärme- bzw. Oberflächenbehandlungszuständen vorliegt, nur bedingt realisieren. Eine Welle könnte zwar komplett aus einem „Wälzlagerstahl” bestehen, was aber unnötig teuer wäre. Die erfindungsgemäße Welle kann dagegen aus einem konventionellen Werkstoff, wie er schon für die Herstellung von Wellen verwendet wird, hergestellt werden, während nur die Lagerstellen mit einer Schicht eines an die Anforderungen angepassten Werkstoffs versehen werden, wodurch erhebliche Kostensenkungen umgesetzt werden können.Such, d. h., From two different materials existing wave can be advantageously designed so that different wave ranges, eg. B. the crank webs, main journal and connecting rod journal in a crankshaft, each of which may be made of a material adapted to the specific requirements. Thus, the journals should have a high hardness and abrasion resistance, while the crank webs and the shaft body should have about a high strength and a correspondingly high density. This wide range of material requirements can be realized only to a limited extent with only one base material, even if it is present in different heat or surface treatment states. Although a shaft could consist entirely of a "bearing steel", but that would be unnecessarily expensive. By contrast, the shaft according to the invention can be made of a conventional material, as already used for the production of shafts, while only the bearing points are provided with a layer of a material adapted to the requirements, whereby considerable cost reductions can be implemented.
Darüber hinaus kann der zweite Werkstoff, der für die Herstellung der Lauffläche verwendet wird, ein Stahl mit einer Härte, die in einem Bereich von 45 bis 75 HRC liegt und vorteilhaft 55 bis 65 HRC beträgt, sein.Moreover, the second material used to make the tread may be a steel having a hardness in the range of 45 to 75 HRC and preferably 55 to 65 HRC.
Für eine möglichst hohe Verschleißbeständigkeit ist eine hohe Härte anzustreben, wobei die Härte des für die Lauffläche verwendeten zweiten Werkstoffs auch auf die Härte der Wälzkörper abgestimmt werden sollte. Ferner soll die Härte nicht zu hoch gewählt werden, damit die Lauffläche auch stoßartigen Belastungen, wie sie im Betrieb einer Hubkolbenmaschine auftreten können, ohne Beschädigung, sprich Sprödbruch, verkraften kann. Die nötige Härte des Stahls kann dabei beispielsweise durch eine Martensit- oder Bainithärtung erreicht werden.For the highest possible wear resistance, a high hardness is desirable, and the hardness of the second material used for the tread should also be matched to the hardness of the rolling elements. Furthermore, the hardness should not be too high, so that the tread and shock loads, as they can occur during operation of a reciprocating engine, without damage, ie brittle fracture, can cope. The necessary hardness of the steel can be achieved, for example, by a martensite or bainite hardening.
Ferner kann der Stahl eine chemische Zusammensetzung mit 0,5 bis 2,0 Gew.-%, bevorzugt 1,0 bis 1,5 Gew.-%, C (Kohlenstoff) und/oder 0,25 bis 1,25 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 1,0 Gew.-%, Cr (Chrom) und/oder Ni (Nickel) und/oder Mn (Mangan) aufweisen. Die Zusammensetzung enthält einen Restanteil an Fe, der die 100 Gew.-% ausgleicht.Further, the steel may have a chemical composition of 0.5 to 2.0 wt.%, Preferably 1.0 to 1.5 wt.%, C (carbon) and / or 0.25 to 1.25 wt. %, preferably 0.5 to 1.0 wt .-%, Cr (chromium) and / or Ni (nickel) and / or Mn (manganese). The composition contains a residual amount of Fe which compensates for the 100% by weight.
Darüber hinaus kann der Stahl auch die Legierungsbestandteile Vanadium und/oder Molybdän enthalten. Geeignete Stähle sind beispielsweise nichtrostende Hochchrom-Stähle, wie der X65Cr14 oder der X105CrMo17, Hochtemperaturstähle, wie der 80MoCrV42-16, oder der 100Cr6 bzw. seine Derivate.In addition, the steel may also contain the alloying elements vanadium and / or molybdenum. Suitable steels are for example high-chromium stainless steels, such as the X65Cr14 or the X105CrMo17, high-temperature steels, such as the 80MoCrV42-16, or the 100Cr6 or its derivatives.
Alternativ dazu kann der zweite Werkstoff für die Lauffläche auch eine Keramik sein, wobei Siliziumcarbid-Keramik oder Siliziumnitrid-Keramik auf Grund der Festigkeit und Härte vorteilhaft sind.Alternatively, the second tread material may also be a ceramic, with silicon carbide ceramics or silicon nitride ceramics being advantageous due to strength and hardness.
Keramiken lassen sich ebenfalls mit thermischen Spritzverfahren mit hinreichenden Schichtdicken auftragen. Zudem lässt sich damit eine noch deutlich höhere Härte und Abriebsbeständigkeit erreichen, wobei dies zu einem verschleißarmen Betrieb auch unter ungünstigen Schmierbedingungen beitragen kann.Ceramics can also be applied by thermal spraying with sufficient layer thicknesses. In addition, it can thus achieve a significantly higher hardness and abrasion resistance, and this can contribute to a low-wear operation even under unfavorable lubrication conditions.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Welle eine Kurbelwelle und/oder eine Nockenwelle und/oder eine Ausgleichswelle sein, wobei die Lagerstellen auf Mantel- und/oder auf Stirnflächen des Wellenkörpers angeordnet sein können.Furthermore, the shaft according to the invention may be a crankshaft and / or a camshaft and / or a balance shaft, wherein the bearing points may be arranged on shell and / or on end faces of the shaft body.
Eine Lagerstelle auf einer Mantelfläche der Welle ist für eine Radiallagerung und eine Lagerstelle auf einer Stirnfläche für eine Axiallagerung geeignet. Sind in einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor, beispielsweise sämtliche Ausgleichs-, Kurbel- und Nockenwellen erfindungsgemäße Wellen mit gänzlich keramischen Wälzlagern, ist sogar ein ölfreier Betrieb vorstellbar, wodurch eine Ölpumpe obsolet würde. Dabei ist lediglich sicherzustellen, dass die Anforderungen an die tribologische Beständigkeit der Zylinderlaufbahn(en) erfüllt sind.A bearing point on a lateral surface of the shaft is suitable for a radial bearing and a bearing point on an end face for axial bearing. Are in a reciprocating engine, in particular an internal combustion engine, for example, all balancing, crankshaft and cam shafts according to the invention with entirely ceramic bearings, even oil-free operation is conceivable, whereby an oil pump would become obsolete. It is only necessary to ensure that the requirements for the tribological stability of the cylinder liner (s) are met.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens für eine erfindungsgemäße wälzgelagerte Welle umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen des Wellenkörpers,
- b) Bereitstellen des zweiten Werkstoffs,
- c) Aufbringen einer Schicht des zweiten Werkstoffs auf den Wellenkörper zumindest im Bereich der Lagerstellen mittels thermischem Spritzen, dadurch Ausbilden der Laufflächen,
- d) Nachbearbeiten des Wellenkörpers zumindest im Bereich der Lagerstellen, dadurch auf Maß bringen der Laufflächen.
- a) providing the shaft body,
- b) providing the second material,
- c) applying a layer of the second material to the shaft body at least in the region of the bearing points by means of thermal spraying, thereby forming the running surfaces,
- d) reworking of the shaft body at least in the region of the bearing points, thereby bring to measure the treads.
Der zweite Werkstoff kann in Abhängigkeit des eingesetzten thermischen Spritzverfahrens in Pulver- oder Drahtform zugeführt werden. Mit thermischen Spritzverfahren lassen sich hierbei beliebige Schichtdicken zwischen wenigen um bis zu einigen mm erzeugen. Durch das Nachbearbeiten der Welle als letzte Schritt wird zudem die Oberflächenrauigkeit der Laufflächen eingestellt. The second material can be supplied in powder or wire form depending on the thermal spraying process used. With thermal spraying processes, it is possible to produce any desired layer thicknesses of a few up to a few mm. By reworking the shaft as a final step, the surface roughness of the treads is also adjusted.
Der Wellenkörper wird dem Verfahren als geschmiedeter oder gegossener Rohling zugeführt, wobei dessen Abmessungen schon in den wesentlichen Maßen den Sollmaßen entsprechen. Lediglich die Laufflächen bzw. Lagerstellen müssen noch bearbeitet werden, d. h., das Verfahren ist zur „Near-Net-Shape-Fertigung” geeignet. Zudem weist das Verfahren vorteilhaft eine geringe Anzahl von Schritten auf und ist gut automatisierbar, wobei auch das thermische Spritzen automatisiert werden kann. Es werden darüber hinaus nur geringe Wärmemengen in oberflächennahe Schichten eingebracht, was dazu beiträgt, dass die wälzgelagerte Welle mit hohen Toleranzen und geringstem thermischen Verzug gefertigt werden kann. Bei bekannten Herstellverfahren, die etwa klassische Härtverfahren oder eine BY-Behandlung umfassen, ist der auftretende thermische Verzug aufgrund des großen Wärmeeintrags größer.The shaft body is fed to the process as a forged or cast blank, the dimensions of which already correspond to the nominal dimensions in essential dimensions. Only the treads or bearings have yet to be processed, d. h., The method is suitable for "near-net-shape production". In addition, the method advantageously has a small number of steps and is easy to automate, whereby the thermal spraying can be automated. In addition, only small amounts of heat are introduced into near-surface layers, which contributes to the fact that the roller bearing shaft can be manufactured with high tolerances and lowest thermal distortion. In known manufacturing methods, which include about classic curing or BY treatment, the occurring thermal distortion is greater due to the large heat input.
Zusätzlich kann vor dem Schritt c) der Schritt
c') Aktivieren der Oberfläche des Wellenkörpers im Bereich der Lagerstellen, bevorzugt mittels Sandstrahlen und/oder mechanischem Raudrehen und/oder Abrasiv-Aufrauen,
ausgeführt werden.Additionally, before step c), step
c ') activating the surface of the shaft body in the region of the bearing points, preferably by means of sandblasting and / or mechanical milling and / or abrasive roughening,
be executed.
Dieser Schritt dient dazu, die Haftung der Schicht auf dem Substrat zu verbessern. Da sich beim thermischen Beschichten in der Regel keine stoffschlüssige Verbindung zwischen Schicht und Substrat einstellt, sondern die Schicht aufgrund mechanischer Verklammerung oder kraftschlüssiger Verankerung auf der Oberfläche des Substrats haftet, ist eine vordefiniert aufgeraute Oberfläche für eine gute Haftung notwendig. Das Abrasiv-Aufrauen ist ein Prozess, bei dem die Oberfläche beispielsweise mit einem Hochdruckwasserstrahl mit Zugabe von Granat behandelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Aktivieren der Oberfläche durch chemische Behandlung der Oberfläche und/oder den Auftrag von Haftvermittlungsmitteln geschehen.This step serves to improve the adhesion of the layer to the substrate. Since, during thermal coating, as a rule no cohesive connection between the layer and substrate is established, but the layer adheres to the surface of the substrate due to mechanical clamping or non-positive anchoring, a predefined roughened surface is necessary for good adhesion. Abrasive roughening is a process in which the surface is treated, for example, with a high-pressure water jet with addition of garnet. Alternatively or additionally, the activation of the surface can be done by chemical treatment of the surface and / or the application of adhesion-promoting agents.
In einer weitern Ausführungsform des Verfahrens kann nach dem Schritt c) der Schritt
c'') Nachverdichten des Wellenkörpers zumindest im Bereich der Lagerstellen zum Erzeugen von Druckeigenspannungen, bevorzugt mittels Kugelstrahlen, Klopfen oder Rollieren,
ausgeführt werden.In a further embodiment of the method, after step c), step
c '') recompression of the shaft body at least in the region of the bearing points for generating compressive residual stresses, preferably by means of shot peening, tapping or rolling,
be executed.
Das Nachverdichten dient dazu im Bereich der Lagerstelle Druckeigenspannungen in den Werkstoff einzubringen. Bei derartigen Kaltverfestigungsverfahren wird durch, plastische Verformung die Versetzungsdichte lokal erhöht, wodurch Härte und Festigkeit zunehmen, und somit die Abriebsfestigkeit weiter erhöht werden kann.The re-compaction serves to introduce compressive residual stresses into the material in the area of the bearing point. In such work-hardening methods, the plastic deformation locally increases the dislocation density, whereby hardness and strength increase, and thus the abrasion resistance can be further increased.
Ein thermisches Spritzverfahren kann dabei bevorzugt Lichtbogenspritzen und/oder Flammspritzen und/oder Plasmaspritzen sein. Das Nachbearbeiten kann bevorzugt das Anwenden von Trennverfahren mit geometrisch bestimmter oder -unbestimmter Schneide, bevorzugt Drehen und/oder Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren, umfassen.A thermal spraying process may be preferably arc spraying and / or flame spraying and / or plasma spraying. The post-processing may preferably include the use of separation methods with geometrically determined or unspecified cutting edge, preferably turning and / or grinding and / or lapping and / or polishing.
Das geeignete thermische Spritzverfahren ist jeweils in Abhängigkeit des verwendeten zweiten Werkstoffs zu wählen. Soll die Lauffläche als eine keramische Schicht aufgebracht werden, so ist die Anwendung des Plasmaspritzens besonders vorteilhaft. Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.The appropriate thermal spraying method is to be selected depending on the second material used. If the tread is to be applied as a ceramic layer, the use of plasma spraying is particularly advantageous. These and other advantages will be set forth by the following description with reference to the accompanying figure.
Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.The reference to the figure in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. The figure is merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Die Figur zeigt eine Seitenansicht einer wälzgelagerten Kurbelwelle.The figure shows a side view of a roller bearing crankshaft.
In
Der zweite Werkstoff kann hierbei ein Stahl, der vorteilhaft eine Härte von minimal 55 HRC aufweist oder eine Keramik, etwa Siliziumcarbid-Keramik oder Siliziumnitrid-Keramik sein, wobei die Keramik nicht mit einem beliebigen thermischen Spritzverfahren, sondern nur durch Plasmaspritzen applizierbar ist.The second material may in this case be a steel which advantageously has a hardness of at least 55 HRC or a ceramic, for example silicon carbide ceramic or silicon nitride ceramic, wherein the ceramic can not be applied by any thermal spray method but only by plasma spraying.
Eine alternative zum thermischen Spritzen ist der Einsatz von Galvanik oder chemischen Beschichtungsverfahren, wobei vor Allem eine nickelbasierte Beschichtung hart und verschleißfest ist. An alternative to thermal spraying is the use of electroplating or chemical coating processes, wherein, above all, a nickel-based coating is hard and wear-resistant.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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