DE102012019189A1

DE102012019189A1 - Anlasserzahnkranz und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012019189A1
Application number: DE201210019189
Authority: DE
Inventors: Rainer Joos; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Anlasserzahnkranzes (10) für eine Brennkraftmaschine, bei welchem der Anlasserzahnkranz (10) aus einem Stahl geformt und zumindest bereichsweise, insbesondere im Bereich der Verzahnung (16), aufgehärtet wird, wobei ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichts-% verwendet wird, und wobei ein erster, zumindest die Verzahnung (16) umfassender Bereich mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt in der Randschicht und ein zweiter, zumindest eine innere Mantelfläche (18) des Anlasserzahnkranzes (10) umfassender Bereich mit demgegenüber geringeren Kohlenstoffgehalt in der Randschicht erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Anlasserzahnkranzes nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Anlasserzahnkranz für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Zum Starten von Brennkraftmaschinen werden diese von einem externen, elektrischen Anlassermotor kurzzeitig angetrieben, bis sie ein eigenes Drehmoment erzeugen können. Der Anlassermotor greift dabei über ein Ritzel in eine Verzahnung eines Schwungrades der Brennkraftmaschine ein, um die Antriebskräfte zu übertragen. Aufgrund der häufigen Ein- und Auskämmvorgänge zwischen Ritzel und Verzahnung des Schwungrades, sowie aufgrund der ungleichmäßigen, oft stoßartigen Kraftbelastung während des Anlassvorgangs ist es notwendig, die Verzahnung des Schwungrades mechanisch besonders widerstandsfähig auszuführen.
In der Regel wird hierzu die Verzahnung als vom Schwungrad selbst separater Zahnkranz bereitgestellt, der zum Erzielen einer hohen Verschleißbeständigkeit meist aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl, beispielsweise C45, gefertigt ist. Ein derartiger Anlasserzahnkranz ist beispielsweise aus der DE 10 2005 021 161 A1 bekannt.
Während derartige Zahnkränze eine gute Verschleißbeständigkeit aufweisen, sind deren Schweißeigenschaften aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts relativ ungünstig. Beim Verschweißen mit dem Grundkörper des Schwungrades, welches beispielsweise aus einem mikrolegierten Blech besteht, kommt es daher zu einem hohen Wärmeeintrag, der wiederum die Härtung der Zähne des Zahnkranzes beeinflussen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Anlasserzahnkranz nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 bereitzustellen, welche eine noch höhere Verschleißbeständigkeit des Zahnkranzes bei gleichzeitig guter Schweißeignung gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Anlasserzahnkranz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen eines Anlasserzahnkranzes für eine Brennkraftmaschine wird der Anlasserzahnkranz aus einem Stahl geformt und zumindest bereichsweise, insbesondere im Bereich der Verzahnung, gehärtet und vorteilhafterweise angelassen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichts-% verwendet wird, wobei ein erster, zumindest die Verzahnung umfassender Bereich mit einem gegenüber dem Grundwerkstoff erhöhten Kohlenstoffgehalt in der Randschicht erzeugt wird und ein zweiter, zumindest eine innere Mantelfläche des Anlasserzahnkranzes umfassender Bereich mit demgegenüber geringerem Kohlenstoffgehalt in der Randschicht erzeugt wird.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass im Bereich des Zahnkranzes die nötige Härte und Verschleißbeständigkeit erzielt werden kann, so dass ein Anlasserzahnkranz mit hoher Lebensdauer geschaffen wird. Durch entsprechend hohe Aufkohlung wird an den Randzonen der Verzahnung örtlich ein höherer Kohlenstoffgehalt erzeugt, als dies bei konventionell verwendeten Zahnkränzen, die beispielsweise aus C35 oder C45 bestehen, der Fall ist. Dadurch wird an der Oberfläche der Verzahnung eine höhere Härte und somit eine höhere Verschleißbeständigkeit erzielt als bislang üblich. Durch die Erzeugung des zweiten Bereichs mit demgegenüber geringerem Kohlenstoffgehalt in der Randschicht um die innere Mantelfläche des Anlasserzahnkranzes herum wird gleichzeitig eine gute Schweißeignung des Materials sichergestellt, so dass ein derart gefertigter Anlasserzahnkranz problemlos mit einem Schwungrad, welches beispielsweise aus einem mikrolegierten Blech gefertigt ist, gefügt, insbesondere geschweißt. werden kann.
Zweckmäßigerweise wird zum Erzeugen des ersten und zweiten Bereichs der Anlasserzahnkranz vollständig aufgekohlt und anschließend im zweiten Bereich Material von der Oberfläche des Anlasserzahnkranzes abgetragen. Mit anderen Worten wird also die Aufkohlung im Bereich der inneren Mantelfläche, also im zweiten Bereich, des Anlasserzahnkranzes, durch abtragende Behandlung rückgängig gemacht, so dass hier die gewünschte Schweißbarkeit erhalten bleibt.
Es ist dabei zweckmäßig, das Abtragen unmittelbar nach dem Aufkohlen und dem langsamen Abkühlen des Anlasserzahnkranzes von der Aufkohlungstemperatur, aber noch vor dem Härten, durchzuführen, so dass das abzutragende Material aufgrund seiner Temperatur noch relativ weich und leicht zu bearbeiten ist. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Randzone im zweiten Bereich erst nach dem Härten und dem Anlassen abzutragen, denn dies eröffnet die Möglichkeit, einen eventuell auftretenden härtungsbedingten Bauteilverzug durch die nachfolgende spanende Bearbeitung zu kompensieren.
Alternativ wird der Anlasserzahnkranz selektiv im ersten Bereich aufgekohlt, so dass dort der gewünschte erhöhte Kohlenstoffgehalt geschaffen wird. Durch das lokale Aufkohlen bleibt die innere Mantelfläche des Anlasserzahnkranzes unbeeinflusst, so dass die gute Schweißeignung des gewählten Materials erhalten bleibt.
Vorzugsweise wird durch das Härten mit nachgeschaltetem Anlassen zumindest im Bereich der Verzahnung eine Einhärtetiefe CHD550HV von 0,1 bis 1,5 mm und eine Oberflächenhärte von wenigstens 55 HRC erzeugt. Dies verleiht dem Anlasserzahnkranz im Bereich seiner Verzahnung die notwendige Verschleißbeständigkeit, um den wechselnden Kraftbelastungen beim Anlassvorgang und beim Ein- bzw. Ausspuren des Anlasserritzels widerstehen zu können. Durch die Wahl der Anlasstemperatur und der Anlasszeit kann die Oberflächenhärte und die Einhärtetiefe im Bereich des Anlasserkranzes in gewissen Grenzen variiert und im Hinblick auf den Eingriff des Ritzels des Startermotors gezielt optimiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Anlasserzahnkranz für eine Brennkraftmaschine, welcher eine außenumfängliche Verzahnung und eine innere Mantelfläche zum Anbringen des Anlasserzahnkranzes auf einem Grundkörper, insbesondere einem Schwungrad, aufweist, wobei der Anlasserzahnkranz zumindest im Bereich der Verzahnung gehärtet und vorteilhafterweise angelassen ist. Erfindungsgemäß ist bei einem derartigen Anlasserzahnkranz vorgesehen, dass der Anlasserzahnkranz aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3% besteht und einen ersten, zumindest die Verzahnung umfassenden Bereich mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt in der Randschicht und einen zweiten, zumindest eine innere Mantelfläche des Anlasserzahnkranzes umfassenden Bereich mit demgegenüber geringeren Kohlenstoffgehalt in der Randschicht aufweist.
Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, kann so ein Anlasserzahnkranz geschaffen werden, der einerseits einen hoch verschleißbeständigen Zahnbereich und andererseits einen gut schweißgeeigneten Bereich um die innere Mantelfläche herum aufweist, so dass ein Fügen, insbesondere ein Schweißen, des Zahnkranzes mit dem Schwungrad problemlos ist.
Auch hier ist es zweckmäßig, wenn eine Einhärtetiefe CHD550HV im Bereich der Verzahnung 0,1–1,5 mm und eine Oberflächenhärte im Bereich der Verzahnung wenigstens 55 HRC beträgt, um die notwendige Verschleißbeständigkeit des Anlasserzahnkranzes zu gewährleisten.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Anlasserzahnkranzes nach dem Fügen mit einem Schwungrad.
Ein Anlasserzahnkranz 10 für eine Brennkraftmaschine umfasst einen ringförmigen Körper 12, auf dessen Außenumfangsfläche 14 eine Verzahnung 16 aufgebracht ist. An der inneren Mantelfläche 18 ist der Anlasserzahnkranz 10 mit einem Schwungrad 20 der Brennkraftmaschine gefügt.
Zum Durchführen eines Anlassvorgangs wird ein Ritzel eines Startermotors mit der Verzahnung 16 gekämmt, so dass ein Antriebsmoment des Anlassermotors auf die Brennkraftmaschine übertragen werden kann. Hierbei kann es zu starken Belastungen der Verzahnung 16 kommen, so dass diese besonders beständig und verschleißfest ausgebildet werden muss. Um gleichzeitig eine gute Schweißeignung des Materials zumindest im Fügebereich mit dem Schwungrad 20 zu erhalten, wird der Anlasserzahnkranz 10 aus einem Stahl mit einem Grundkohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichts-% Kohlenstoff, beispielsweise einem Einsatzstahl C15 gefertigt. Vor dem Fügen mit dem Schwungrad 20 wird der Anlasserzahnkranz aufgekohlt und in der Folge vorzugsweise langsam abgekühlt, um die Martensit- und Bainitbildung zu vermeiden. Im Bereich der Verzahnung erfolgt anschließend eine Härtung, die durch Einsatzhärten oder Induktionshärten erfolgen kann. Im Anschluss daran findet vorteilhafterweise eine Anlassbehandlung statt.
Beim vollständigen Aufkohlen des Zahnkranzes 10 bildet sich auch an der inneren Mantelfläche 18 eine Randschicht mit hohem Kohlenstoffgehalt, welche die Schweißeignung beeinträchtigt. Um ein einfaches Fügen mit dem Schwungrad 20, welches üblicherweise aus einem gut schweißbaren Stahl, beispielsweise einem mikrolegierten Blech besteht, zu ermöglichen, wird nach dem Aufkohlen, aber noch vor dem Fügen des Anlasserzahnkranzes 10 im Bereich der inneren Mantelfläche 18 spanend Material abgetragen, so dass die aufgekohlte Randschicht zumindest teilweise entfernt wird. Hierdurch nimmt die Schweißeignung wieder deutlich zu, so dass übermäßige Aufhärtungen und/oder Rissbildungen im verschweißten Bereich vermieden werden können. Hierdurch ist es unter Umständen möglich, von umlaufender Schweißung auf Segmentschweißung überzugehen, was einen Taktzeitgewinn und Kosteneinsparungen mit sich bringt. Im Vergleich zu den bislang für den Anlasserzahnkranz verwendeten Stählen, wie z. B. C35 oder C45, ist durch die Wahl des erfindungsgemäßen, besser schweißbaren Zahnkranzmaterials darüber hinaus grundsätzlich eine höhere Schweißgeschwindigkeit realisierbar, was einen weiteren Taktzeit- und Kostengewinn bedeutet.
Alternativ zum vollständigen Aufkohlen des Anlasserzahnkranzes 10 und einem anschließenden Materialabtrag an der inneren Mantelfläche 18 ist es auch möglich, die Aufkohlung lediglich selektiv im Bereich der Verzahnung 16 durchzuführen, wobei die Verzahnung 16 auch hier wieder anschließend induktiv oder einsatzgehärtet wird. Da die Randschicht des Anlasserzahnkranzes 10 an der inneren Mantelfläche 18 hierbei nicht aufkohlt wird, bleibt die Schweißeignung des Materials hier bestehen.
Insgesamt wird so ein Anlasserzahnkranz 10 geschaffen, der im Bereich der Verzahnung 16 eine gute Oberflächenhärte von mehr als 55 HRC bei einer Einhärttiefe CHD550HV1 von 0,1 bis 1,5 mm aufweist und somit den Betriebsbeanspruchungen besonders gut widerstehen kann, wobei der Anlasserzahnkranz 10 dennoch gut fügbar, insbesondere gut schweißbar, bleibt.
Der Begriff „Anlasserzahnkranz” soll – neben konventionellen Anlasserzahnkränzen – auch Zahnkränze zukünftiger Motorgenerationen, beispielsweise Motoren mit Start-Stop-System, erfassen. In solchen Systemen kann der Freilauf beispielsweise mit Hilfe eines sogenannten permanent eingespurten Startersystems (PES) realisiert werden, in dem ähnliche Zahnkränze wie bei bestehenden Motoren zum Einsatz kommen, indem die Zahnkränze jedoch andere bzw. höhere Anforderungen in Bezug auf Flankenpressung und Dauerfestigkeit erfüllen müssen. Auch für diese Anwendungen bietet die vorliegende Erfindung somit große Vorteile.
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 102005021161 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Anlasserzahnkranzes (10) für eine Brennkraftmaschine, bei welchem der Anlasserzahnkranz (10) aus einem härtbaren Stahl geformt und zumindest bereichsweise, insbesondere im Bereich der Verzahnung (16), gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt höchstens 0,3 Gewichts-% verwendet wird, wobei ein erster, zumindest die Verzahnung (16) umfassender Bereich mit einem im Vergleich zum Grundstoff erhöhten Kohlenstoffgehalt in der Randschicht und ein zweiter, zumindest eine innere Mantelfläche (18) des Anlasserzahnkranzes (10) umfassender Bereich mit einem im Vergleich zur Randschicht des ersten Bereiches geringeren Kohlenstoffgehalt in der Randschicht erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des ersten und zweiten Bereichs der Anlasserzahnkranz (10) selektiv im ersten Bereich aufgekohlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des ersten und zweiten Bereichs der Anlasserzahnkranz (10) vollständig aufgekohlt und anschließend im zweiten Bereich Material von der Oberfläche des Anlasserzahnkranzes abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen unmittelbar nach dem Aufkohlen und vor dem Fügen des Anlasserzahnkranzes (10) an das Schwungrad (20) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Härten und ein eventuell nachfolgend ausgeführtes optionales Anlassen zumindest im Bereich der Verzahnung (16) eine Einhärtetiefe CHD550HV von 0,1 bis 1,5 mm und eine Oberflächenhärte von wenigstens 55 HRC erzeugt wird.
Anlasserzahnkranz (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einer außenumfänglichen Verzahnung (16) und einer inneren Mantelfläche (18) zum Anbringen des Anlasserzahnkranzes (10) auf einem Grundkörper, insbesondere einem Schwungrad (20), wobei der Anlasserzahnkranz (10) zumindest im Bereich der Verzahnung (16) gehärtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlasserzahnkranz (10) aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichts-% besteht und einen ersten, zumindest die Verzahnung (16) umfassenden Bereich mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt in der Randschicht und einen zweiten, zumindest eine innere Mantelfläche (18) des Anlasserzahnkranzes (10) umfassenden Bereich mit demgegenüber geringeren Kohlenstoffgehalt in der Randschicht aufweist.
Anlasserzahnkranz (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einhärtetiefe CHD550HV im Bereich der Verzahnung (16) 0,1 bis 1,5 mm und eine Oberflächenhärte im Bereich der Verzahnung (16) wenigstens 55 HRC beträgt.