DE102014109818A1

DE102014109818A1 - Gebaute Kurbelwelle mit in Kurbelwangen eingepressten Lagerzapfen

Info

Publication number: DE102014109818A1
Application number: DE102014109818.8A
Authority: DE
Inventors: Alex Meier; Gunther Martin; Robert Wegner; Stephane Palandre; Jörg Bohlen
Original assignee: ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-01-14
Also published as: EP3169908A1; WO2016008838A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen (10), die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwelle ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen (11), in die Aufnahmeöffnungen (12) eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen (12) endseitig an den Lagerzapfen (10) ausgebildete Verbindungsabschnitte (13) eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen (12) eine Verzahnung (14) aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen (12) an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz (15) der Aufnahmeöffnungen (12) anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte (13) ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil (16) aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte (13) in die Aufnahmeöffnungen (12) eine durch die Verzahnung (14) verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Werkstoff der Kurbelwange (11) wenigstens im Bereich des Zentrierabsatzes (15) eine Festigkeit aufweist, die mindestens 80 N/mm2 höher ist als die Festigkeit des Werkstoffes im Rollierprofil (16) in den Verbindungsabschnitten (13) der Lagerzapfen (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen, die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwelle ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen, in die Aufnahmeöffnungen eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen endseitig an den Lagerzapfen ausgebildete Verbindungsabschnitte eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen eine Verzahnung aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz der Aufnahmeöffnungen anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte in die Aufnahmeöffnungen eine durch die Verzahnung verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist.
STAND DER TECHNIK
Die DE 10 2012 111 124 B3 beschreibt eine gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen, und die Lagerzapfen sind über endseitig ausgebildete Verbindungsabschnitte in Aufnahmeöffnungen in einer Kurbelwange eingepresst. Die Kurbelwange weist innenseitig eine Verzahnung auf, die parallel zur Fügeachse die Aufnahmeöffnung durchwandert und vorderseitig besitzt die Aufnahmeöffnung einen Zentrierabsatz, der als Fase ausgestaltet ist und als Stützdurchmesser bezeichnet wird.
An den Verbindungsabschnitten ist umfangsseitig ein Rollierprofil aufgebracht, womit gemeint ist, dass an den Verbindungsabschnitten in Umfangsrichtung umlaufende Profilberge und Profiltäler gebildet sind, sodass sich im Längsschnitt eine Wellenform ergibt. Beim Einpressen des Verbindungsabschnittes in die zugeordnete Aufnahmeöffnung wird dabei das Rollierprofil teilweise plastisch verformt. Die plastische Verformung wird dadurch verursacht, dass die Verzahnung im Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung einen kleineren Durchmesser aufweist als die Profilberge des Rollierprofils, die Profiltäler des Rollierprofils weisen jedoch wiederum einen kleineren Durchmesser auf als die Verzahnung in der Aufnahmeöffnung. Dadurch wird beim Einpressen des Verbindungsabschnittes in die Aufnahmeöffnung die plastische Verformung an den Profilbergen erzeugt, indem Material von den Profilbergen in die Profiltäler verdrängt wird.
Die Festigkeit des Werkstoffes zur Bildung des Verbindungsabschnittes und damit des Lagerzapfens kann sich unterscheiden von der Festigkeit des Werkstoffes zur Bildung der Kurbelwange, sodass wenigstens an einem der Fügepartner die plastische Verformung erzeugt wird. Die Festigkeit der Kurbelwange sollte dabei jedoch nicht zu hoch gewählt werden, weil dadurch andere Materialcharakteristika wie beispielsweise die Lastwechselfestigkeit oder die Dehnbarkeit negativ beeinflusst werden und die Kosten zur Bereitstellung von Kurbelwangen aus hochfestem Material steigen deutlich an. Insbesondere sollte für Kurbelwangen kein hochfestes, sprödhartes Material verwendet werden, da dadurch die genannten weiteren Materialeigenschaften negativ beeinflusst werden. Der Werkstoff der Lagerzapfen sollte mit einer Festigkeit ausgewählt werden, die nicht zu gering ist, da insbesondere die Lagerzapfen einer Kurbelwelle hohen mechanischen, insbesondere dynamischen Wechselbelastungen ausgesetzt sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Verbesserung der Festigkeit einer gebauten Kurbelwelle unter Berücksichtigung möglichst geringer Materialkosten und einer leichten, ebenfalls hochfesten Verbindungsmöglichkeit der Lagerzapfen an der Kurbelwange. Insbesondere sollte der Vorteil erreicht werden, dass die Verbindung der Lagerzapfen an der Kurbelwange durch einen Presssitz einfach herstellbar und hochfest ausgestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer gebauten Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Werkstoff der Kurbelwange wenigstens im Bereich des Zentrierabsatzes eine Festigkeit aufweist, die mindestens 80 N/mm² höher ist als die Festigkeit des Werkstoffes im Rollierprofil der Verbindungsabschnitte der Lagerzapfen.
Durch eingehende Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass bei einer Festigkeit des Werkstoffes der Kurbelwange im Bereich des Zentrierabsatzes mit einem Festigkeitswert von mindestens 80 N/mm² über der Festigkeit des Werkstoffes im Bereich des Rollierprofils eine besonders belastbare Pressverbindung zwischen dem Lagerzapfen und der Kurbelwange erzeugt werden konnte. Die höhere Festigkeit des Werkstoffes der Kurbelwange von mindestens 80 N/mm² gegenüber der Festigkeit des Werkstoffes im Rollierprofil hat dabei überraschend gute Ergebnisse gezeigt, Versuche haben dabei gezeigt, dass die Festigkeit des Werkstoffes der Kurbelwange jedoch nicht mehr als 500 N/mm² über der Festigkeit des Werkstoffes des Verbindungsabschnittes im Bereich des Rollierprofils liegen sollte.
Mit besonderem Vorteil kann der Werkstoff der Kurbelwangen wenigstens im Bereich des Zentrierabsatzes einsatzgehärtet sein, wobei das Einsatzhärten beispielsweise und insbesondere durch ein Aufkohlen erzeugt werden kann. Andere Härteverfahren können ebenfalls Verwendung finden, insbesondere kann als Werkstoff für die Kurbelwangen ein mikrolegierter Stahl verwendet werden. Diesem Stahl kann z.B. 0,01 bis 0,1 Massenprozent an Aluminium, Niob, Vanadium und/oder Titan zulegiert sein, um über die Bildung von Karbiden, Nitriden und/oder Kornfeinung eine hohe Festigkeit zu erzielen. Dadurch erfährt der Zentrierabsatz eine Härtezone, sodass auf besonders vorteilhafte Weise ein Einformen der Verzahnung in das Rollierprofil ermöglicht wird, wodurch die Profilberge plastisch verformt werden und das Material der Profilberge wird in die benachbarten Profiltäler verdrängt. Durch eine Festigkeitsdifferenz von wenigstens 80 N/mm² zwischen dem Zentrierabsatz und dem Rollierprofil wird insbesondere erreicht, dass die Verzahnung im Wesentlichen keine plastische Verformung erfährt, während die plastische Verformung bei der Herstellung der Pressverbindung zwischen dem Lagerzapfen und der Kurbelwange im Wesentlichen und insbesondere ausschließlich im Rollierprofil erzeugt wird. Dabei kann eine Werkstoffhärtung nur im Bereich des Zentrierabsatzes bereits ausreichen, da festgestellt wurde, dass die plastische Verformung im Wesentlichen nur im Bereich des Zentrierabsatzes bzw. im Übergang in die Verzahnung erzeugt wird, beim weiteren Einführen des Verbindungsabschnittes gleitet dabei die Verzahnung über das Rollierprofil hinweg, wobei keine wesentliche weitere plastische Verformung erzeugt wird. Somit wurde festgestellt, dass auf besonders vorteilhafte Weise der Bereich des Zentrierabsatzes der Kurbelwange mit einer höheren Festigkeit ausgeführt werden kann, wobei die Festigkeit der gesamten Kurbelwange nicht zwingend erhöht werden muss und auch nicht grundsätzlich über der Festigkeit des Lagerzapfens liegen muss. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedoch auch der gesamte Bereich der Verzahnung oder sogar die gesamte Kurbelwange einen Werkstoff aufweisen, dessen Festigkeit wenigstens 80 N/mm² über der Festigkeit des Werkstoffes des Lagerzapfens liegt.
Mit weiterem Vorteil können der Werkstoff der Lagerzapfen mit den Verbindungsabschnitten und/oder der Werkstoff der Kurbelwangen in einem vergüteten Zustand vorliegen. Insbesondere können die Lagerzapfen und/oder die Kurbelwangen aus einem Vergütungsstahl hergestellt sein. Ein Vergütungsstahl ist ein Stahl, der durch ein Härteverfahren mit einem anschließenden Anlassverfahren behandelt wurde, und dieser weist dadurch eine hohe Festigkeit auf, wobei ein Vergütungsstahl grundsätzlich bereits durch eine hohe Grundfestigkeit gekennzeichnet ist.
Die Festigkeit des Werkstoffes der Verbindungsabschnitte der Lagerzapfen kann einen Wert von 900 N/mm² bis 1300 N/mm² und bevorzugt von 1100 N/mm² aufweisen, wobei die Festigkeit des Werkstoffes der Kurbelwangen wenigstens im Bereich des Zentrierabsatzes einen Wert von 1100 N/mm² bis 1500 N/mm² und bevorzugt 1300 N/mm² aufweisen. Würde die Festigkeit des Werkstoffes der Verbindungsabschnitte der Lagerzapfen geringer ausgeführt als beispielsweise 900 N/mm², so kann die Dauerfestigkeit der Lagerzapfen einer gebauten Kurbelwelle gegebenenfalls nicht mehr ausreichen. Beispielsweise können der Lagerzapfen und insbesondere der endseitige Verbindungsabschnitt mit einer Festigkeit von beispielsweise 950 N/mm² bereitgestellt werden, wobei erst durch das Rollieren eine Kaltverfestigung erzeugt wird, sodass die Festigkeit des Werkstoffes der Verbindungsabschnitte im Bereich des Rollierprofils auf Werte von beispielsweise 900 N/mm² bis 1100 N/mm² und bevorzugt von 1000 N/mm² ansteigen kann. Je stärker die plastische Verformung des Verbindungsabschnittes durch das Rollieren mit einem Rollierwerkzeug ist, desto höher kann die sich ergebende Kaltverfestigung ausfallen. Die Festigkeit des Werkstoffes im Bereich des Rollierprofils am Verbindungsabschnitt sollte jedoch Werte von beispielsweise 1300 N/mm² nicht überschreiten, da dadurch die auftretenden Verspannungen im Pressverband zwischen dem Lagerzapfen und Kurbelwange zu groß werden, insbesondere entstehen Kerbwirkungen in der Verzahnung der Aufnahmeöffnung der Kurbelwange, die auftretende Spannungsspitzen im Werkstoff der Kurbelwange weiter erhöhen, insbesondere wenn das Verpressen der Lagerzapfen mit den Kurbelwangen unter zu starker Kraftaufwendung erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der eingangsseitige Zentrierabsatz der Aufnahmeöffnung eine Einführfase mit einem zu einer Fügeachse gebildeten Fasenwinkel von 5° bis 25° und vorzugsweise von 10° aufweisen. Dabei kann der Zentrierabsatz einen außenseitigen Absatzdurchmesser aufweisen, der größer ist als die Profilberge des Rollierprofils und einen innenseitigen Absatzdurchmesser aufweisen, der kleiner ist als die Profiltäler des Rollierprofils. Wird der Verbindungsabschnitt in die Aufnahmeöffnung eingepresst, so formen sich die Erhebungen in der Verzahnung in die Profilberge der Rollierung ein, und durch eine achsparallel verlaufende Struktur in der Verzahnung und durch eine umfangsseitig umlaufende Struktur des Rollierprofils entsteht eine formschlüssig-kraftschlüssige Fügeverbindung mit sich kreuzenden Strukturen.
Die Erfindung richtet sich auf weitere Aspekte der vorstehend aufgeführten Kurbelwelle mit Kurbelzapfen, die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwelle ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen, in die Aufnahmeöffnungen eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen endseitig an den Lagerzapfen ausgebildete Verbindungsabschnitte eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen eine Verzahnung aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz der Aufnahmeöffnungen anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte in die Aufnahmeöffnungen eine durch die Verzahnung verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist. Dabei kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung das Rollierprofil über eine Rollierlänge auf dem Verbindungsabschnitt ausgebildet sein, die kürzer ist als eine Kontaktlänge der Fügeverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt und der Kurbelwange. Dadurch, dass keine außerhalb der Kontaktlänge liegenden Profiltäler in der Außenumfangsfläche des Verbindungsabschnittes vorhanden sind, entsteht der Vorteil, dass durch die Profiltäler des Rollierprofils keine nachteilige Kerbwirkung im Verbindungsabschnitt des Lagerzapfens gebildet wird. Das Rollierprofil ist als Berg-Tal-Profil ausgeführt und kann vorzugsweise eine umlaufende Struktur aufweisen oder das Rollierprofil ist als Gewindestruktur ausgebildet. Dabei ist das Rollierprofil definiert durch die axiale Beabstandung, das heißt durch die Steigung des Rollierprofils mit den Rollierbergen und den Rolliertälern, wobei die Anzahl der Beabstandungen von Berg zu Berg, der Winkel der Flanken benachbarter Berge zueinander sowie die Verrundungen mit einem Verrundungsradius das Rollierprofil definieren. Da während der Gestaltung der Rollier-Setz-Fügeverbindung nur die Profilberge eine plastische Umformung erfahren, liegen die kerbwirkungsrelevanten Profiltäler, also die Kerben, im Bereich innerhalb der Fügeverbindung vor, also nur begrenzt auf den Bereich der Kontaktlänge der Fügeverbindung. Befinden sich sämtliche Profiltäler innerhalb der Kontaktlänge, und befindet sich kein weiteres Profiltal außerhalb der Kontaktlänge, insbesondere in Richtung zum eigentlichen Lagerzapfen, so ergibt sich in dieser Folge eine Spannungsreduktion kritischer Bereiche, sodass die Dauerfestigkeit der Lagerzapfen verbessert wird. Mit besonderem Vorteil kann das Rollierprofil eine Abfolge von Profilbergen und Profiltälern aufweisen, wobei das Rollierprofil so ausgebildet wird, dass dieses auf der Kontaktlänge wenigstens in Richtung des Übergangs vom Verbindungsabschnitt in den Lagerzapfen seitlich mit einem Profilberg abschließt. Insbesondere dadurch, dass das Ende der Kontaktlänge zu einem Festkörperkontakt zwischen dem Profilberg und der Verzahnung in der Aufnahmebohrung führt, entsteht keine nachteilhafte Kerbwirkung, wodurch die Lagerzapfen höher belastbar sind.
Die Kontaktlänge der Fügeverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt und der Kurbelwange kann dabei kürzer ausgebildet sein als die Länge des Verbindungsabschnittes. Beispielsweise kann die Kontaktlänge bis an das freie Ende des Verbindungsabschnittes heranragen, wobei zwischen dem Ende der Kontaktlänge in Richtung zum Lagerzapfen ein Freibereich erhalten bleiben kann, und der Freibereich kann im Übergang in den Lagerabschnitt des Lagerzapfens einen Freistich aufweisen, der so konturiert ist, dass eine Kerbwirkung minimiert wird.
Die durch die Verzahnung verursachte plastische Umformung des Rollierprofils kann durch ein vorwiegend seitliches Eindrücken des Materials der Profilberge in benachbarte Profiltäler erfolgen, wodurch sich ein vergrößerter Kontaktbereich des Rollierprofils mit der Verzahnung bildet. Insbesondere wird die Kontaktlänge zwischen dem Profilberg der Rollierung und der Verzahnung in der Aufnahmeöffnung verlängert, wodurch die Tragfähigkeit und damit die Belastungsfähigkeit der Verbindung zwischen dem Lagerzapfen und der Kurbelwange verbessert wird.
Die Erfindung richtet sich auf weitere Aspekte der vorstehend aufgeführten gebauten Kurbelwelle mit Lagerzapfen, die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwange ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen, in die Aufnahmeöffnungen eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen endseitig an den Lagerzapfen ausgebildete Verbindungsabschnitte eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen eine Verzahnung aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz der Aufnahmeöffnungen anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte in die Aufnahmeöffnungen eine durch die Verzahnung verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist. Gemäß einem weiteren Anspekt ist dabei die Verzahnung innenseitig in wenigstens einer der Aufnahmeöffnungen auf zumindest einen Teilumfang der Aufnahmeöffnung beschränkt.
Durch die Beschränkung der Verzahnung auf wenigstens einen Teilumfang innerhalb der vollumfänglichen Aufnahmeöffnung wird die Dauerhaltbarkeit der gebauten Kurbelwelle erhöht. Die Verzahnung bleibt dabei auf einem Umfang innerhalb der Aufnahmeöffnung aus, der besonders hohen Materialspannungen ausgesetzt ist. Dadurch werden auftretende Kerbwirkungen durch die Verzahnung in der Aufnahmeöffnung in den spannungskritischen Bereichen der Kurbelwange vermieden, wodurch die Dauerhaltbarkeit der gebauten Kurbelwelle erhöht wird. Durch Spannungsüberhöhung auftretende Risse, die im Bereich der Kerben der Verzahnung an den spannungskritischen Bereichen über den Umfang der Aufnahmeöffnung in der Kurbelwange auftreten können, können vermieden werden.
Der wenigstens eine Bereich in der Aufnahmeöffnung, der frei von einer Verzahnung ausgebildet ist, kann eine zylindrische Innenumfangsfläche aufweisen. Der Durchmesser dieses zylindrischen Innenumfangsabschnittes kann so gewählt werden, dass beispielsweise dieser Durchmesser mit dem effektiven Durchmesser des Rollierprofils, das heißt mit dem Durchmesser der Profilberge auf dem Verbindungsabschnitt des Lagerzapfens, übereinstimmt.
Der wenigstens eine Bereich in der Aufnahmeöffnung, der frei von einer Verzahnung ausgebildet ist, kann sich über einen Winkelbereich der Aufnahmeöffnung mit einem Wert von 0° bis 45° und bevorzugt von 30° bis 45° erstrecken. Dabei kann die Kurbelwange zwei Aufnahmeöffnungen aufweisen, wobei der wenigstens eine Bereich in dem Halbkreis der jeweiligen Aufnahmeöffnung eingebracht ist, der zur benachbarten Aufnahmeöffnung in der Kurbelwange weist. Beispielsweise können zwei Aufnahmeöffnungen in der Kurbelwange eine Symmetrieebene in der Kurbelwange bilden, in der die beiden Mittelachsen der Aufnahmeöffnungen verlaufen, wobei die Bereiche seitlich zur Symmetrieebene in der Innenumfangsfläche gleichzeitig in der Aufnahmeöffnung eingebracht sein können. Stehen die beiden Aufnahmeöffnungen übereinander, beispielsweise wenn eine Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Lagerzapfens zur Anbindung einer Pleuelstange über einer Aufnahmeöffnung für einen Lagerzapfen zur Bildung eines Hauptlagers der gebauten Kurbelwelle liegt, so kann die Symmetrieebene in der Vertikalen verlaufen, und links und rechts der Symmetrieebene können gleichseitig die Bereiche vorliegen, die frei von einer Verzahnung ausgebildet sind. Der Winkelbereich von 0° bis 45° kann beispielsweise in der Höhe über den Innenumfang der Aufnahmeöffnung abgenommen werden, die die Höhe der Mittenachse der Aufnahmeöffnung bildet.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematisierte Ansicht der Fügeverbindung eines Lagerzapfens mit einer Kurbelwange zur Bildung einer gebauten Kurbelwelle,
2 eine Teilansicht einer Fügeverbindung mit einem Lagerzapfen und einer Kurbelwange,
3 eine Querschnittsansicht durch ein Rollierprofil mit Profilbergen und Profiltälern auf der Außenumfangsfläche eines Verbindungsabschnittes eines Lagerzapfens und
4 eine Seitenansicht einer Kurbelwange mit einer ersten Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Lagerzapfens zur Anbindung einer Pleuelstange und einer weiteren Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Lagerzapfens zur Bildung eines Hauptlagers der gebauten Kurbelwelle.
1 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Lagerzapfens 10 in getrennter Anordnung von einer Kurbelwange 11 zur Bildung einer gebauten Kurbelwelle, wobei Lagerzapfen 10 und Kurbelwange 11 jeweils nur teildargestellt sind. In der Kurbelwange 11 ist eine Aufnahmeöffnung 12 eingebracht, und der halbseitig dargestellte Lagerzapfen 10 mit dem ebenfalls halbseitig dargestellten Verbindungsabschnitt 13 kann zur Bildung eines Längspressverbandes mit der Kurbelwange 11 verbunden werden.
Die Aufnahmeöffnung 12 weist innenseitig eine Verzahnung 14 auf, die sich im Wesentlichen achsparallel durch die Aufnahmeöffnung 12 hindurch erstreckt. Die Achse bildet dabei die Fügeachse 17, die auch die Rotationsachse des Lagerzapfens 10 und des endseitig am Lagerzapfen 10 angeformten Verbindungsabschnittes 13 bildet, und mit einer Bewegung entlang der Fügeachse 17 kann das Verbindungselement 13 in die Aufnahmeöffnung 12 eingepresst werden.
Auf der Außenumfangsfläche des Verbindungsabschnittes 13 ist ein Rollierprofil 16 eingebracht, und das Rollierprofil 16 weist eine Abfolge von Profilbergen 16a und Profiltälern 16b auf.
Auf der Einführseite der Aufnahmeöffnung 12 ist ein Zentrierabsatz 15 vorgesehen. Der Zentrierabsatz 15 weist einen außenseitigen Absatzdurchmesser D auf, der größer ist als der Durchmesser der Profilberge 16a des Rollierprofils 16. Der Zentrierabsatz 15 verjüngt sich übergehend in die Verzahnung 14 hinein und der Übergang zwischen dem Zentrierabsatz 15 und der Verzahnung 14 wird nach innen begrenzt durch einen innenseitigen Absatzdurchmesser d. Der innenseitige Absatzdurchmesser d ist dabei kleiner als der Durchmesser der Profilberge 16a.
Wird der Verbindungsabschnitt 13 unter Bildung eines Längspressverbandes in die Aufnahmeöffnung 12 eingepresst, so formt sich die Verzahnung 14 in das Rollierprofil 16 ein. Dabei entstehen hohe Druckspannungen am Zentrierabsatz 15, sodass dieser erfindungsgemäß mit einer Härtezone 19 ausgebildet ist, und sodass der Werkstoff der Kurbelwange 11 im Bereich des Zentrierabsatzes 15 eine Festigkeit aufweist, die mindestens 80 N/mm² höher als die Festigkeit des Werkstoffes im Rollierprofil 16 des Verbindungsabschnittes 13 des Lagerzapfens 10. Dadurch wird erreicht, dass eine plastische Verformung im Bereich der Profilberge 16a des Rollierprofils 16 erzeugt wird, wohingegen in der Verzahnung 14 im Wesentlichen keine plastische Verformung erzeugt wird.
2 zeigt eine Teilansicht des Lagerzapfens 10 und eine Teilansicht der Kurbelwange 11, wobei der Verbindungsabschnitt 13 des Lagerzapfens 10 in die Aufnahmeöffnung 12 der Kurbelwange 11 eingepresst ist. Dabei ist erkennbar, dass die Profilberge 16a abgeflacht sind und die Profiltäler 16b sind verkleinert dargestellt. Die Verkleinerung der Profiltäler 16b hat seine Ursache darin, dass bei der plastischen Verformung der Profilberge 16a Material des Werkstoffes des Rollierprofils 16 in die Profiltäler 16b verdrängt wurde.
Die Länge des Rollierprofils 16 weist eine Rollierlänge r auf, die kleiner ist als die Kontaktlänge l der Fügeverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt 13 und der Kurbelwange 11. Die Kontaktlänge l der Fügeverbindung ist wiederum kleiner als die Gesamtlänge L des Verbindungsabschnittes 13 am Lagerzapfen 10. Durch die kleiner ausgeführte Rollierlänge r im Verhältnis zur Kontaktlänge l wird erreicht, dass sämtliche Profiltäler 16b innerhalb der Kontaktlänge l liegen. Folglich bildet kein Profiltal 16b außerhalb der Kontaktlänge l eine Kerbwirkung aus, wodurch auch die Lagerzapfen 10 höher belastbar sind.
Zur weiteren Reduzierung der Kerbwirkung ist im Übergang zwischen dem Verbindungsabschnitt 13 und dem Lagerzapfen 10 ein Freistich 20 vorgesehen, und der Bereich des Freistiches 20 geht über in einen Profilberg 16a des Rollierprofils 16, sodass mit dem Profilberg 16a die Kontaktlänge l der Fügeverbindung beginnt.
3 stellt in einer Detailansicht im Querschnitt das Rollierprofil 16 mit den Profilbergen 16a und den Profiltälern 16b dar. Dabei weisen die Flanken der Profilberge 16a zueinander einen Flankenwinkel g von 20° bis 60°, bevorzugt von 25° bis 55° und besonders bevorzugt von 30° bis 50° auf. Eine weitere Reduzierung von Kerbwirkungen und damit eine Erhöhung der Dauerhaltbarkeit der gebauten Kurbelwelle wird durch Übergangsradien R erzeugt, die sowohl spitzenseitig an den Profilbergen 16a als auch talseitig in den Profiltälern 16b vorgesehen sind.
4 zeigt schließlich eine Seitenansicht einer Kurbelwange 11 mit einer ersten, oberseitig dargestellten Aufnahmeöffnung 12 zur Aufnahme eines Lagerzapfens 10, an dem eine Pleuelstange angeordnet werden kann. Die unterseitig dargestellte Aufnahmeöffnung 12 dient zur Aufnahme eines Lagerzapfens 10, über den die Kurbelwelle beispielsweise in einem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine gelagert werden kann. Durch die beiden Mittenachsen 18 der Aufnahmeöffnungen 12, die mit den Fügeachsen 17 (siehe 1) zusammenfallen, ist eine Symmetrieebene S definiert, wobei sich die Kurbelwange 11 in horizontal seitlicher Richtung symmetrisch zur Symmetrieebene S erstreckt.
Die Verzahnung 14 innenseitig in den Aufnahmeöffnungen 12 ist erfindungsgemäß nicht vollumfänglich ausgebildet und erstreckt sich lediglich auf Teilumfängen. Die Bereiche, die in den Aufnahmeöffnungen 12 keine Verzahnung 14 aufweisen, sind mit X gekennzeichnet. Dabei weisen die Bereiche X in benachbarten Aufnahmeöffnungen 12 aufeinander zu, sodass in Bezug auf die Mittenachsen 18 die Bereiche X in den Halbkreisen der Öffnungskontur der Aufnahmeöffnungen 12 eingebracht sind, die aufeinander zuweisen.
Die Winkelbereiche α, über die sich die Bereiche X über den Umfang der Aufnahmeöffnungen 12 erstrecken, betragen gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 45°.
Die gezeigten Bereiche X bilden die Bereiche im Körper der Kurbelwange 11, in denen der Werkstoff großen Spannungen ausgesetzt ist, sodass die Materialbereiche der Kurbelwange 11 in oder nahe den Bereichen X spannungskritische Bereiche bilden. Durch das Ausbleiben der Verzahnungen 14 in den Bereichen X wird eine Kerbwirkung durch die Verzahnung 14 vermieden, sodass ein Materialversagen der Kurbelwange 11 effektiv vermieden wird. Im Betrieb der gebauten Kurbelwelle addieren sich Spannungen im Material der Kurbelwange 11, die erzeugt werden durch den Pressverband mit den Lagerzapfen 10 und mit Spannungen durch die Betriebskräfte der Kurbelwelle. Diese Spannungen sind in oder nahe den Bereichen X besonders groß, und unterbleibt die Einbringung der Verzahnung 14, beispielsweise durch ein Räumverfahren, in den Bereichen X, so wird eine Spannungserhöhung durch eine Kerbwirkung in den gezeigten Bereichen vermieden, wodurch die Belastungsfähigkeit und die Dauerhaltbarkeit der gebauten Kurbelwelle weiter erhöht wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Lagerzapfen
11: Kurbelwange
12: Aufnahmeöffnung
13: Verbindungsabschnitt
14: Verzahnung
15: Zentrierabsatz
16: Rollierprofil
16a: Profilberg
16b: Profiltal
17: Fügeachse
18: Mittenachse
19: Härtezone
20: Freistich
S: Symmetrieebene
L: Länge des Verbindungsabschnittes
l: Kontaktlänge
D: außenseitiger Absatzdurchmesser
d: innenseitiger Absatzdurchmesser
R: Übergangsradius
r: Rollierlänge
a: Winkelbereich
g: Flankenwinkel

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 102012111124 B3 [0002]

Claims

Gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen (10), die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwelle ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen (11), in die Aufnahmeöffnungen (12) eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen (12) endseitig an den Lagerzapfen (10) ausgebildete Verbindungsabschnitte (13) eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen (12) eine Verzahnung (14) aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen (12) an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz (15) der Aufnahmeöffnungen (12) anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte (13) ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil (16) aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte (13) in die Aufnahmeöffnungen (12) eine durch die Verzahnung (14) verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Kurbelwange (11) wenigstens im Bereich des Zentrierabsatzes (15) eine Festigkeit aufweist, die mindestens 80 N/mm² höher ist als die Festigkeit des Werkstoffes im Rollierprofil (16) der Verbindungsabschnitte (13) der Lagerzapfen (10).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Kurbelwangen (11) wenigstens im Beriech des Zentrierabsatzes (15) einsatzgehärtet, insbesondere durch ein Aufkohlen einsatzgehärtet ist.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Lagerzapfen (10) mit den Verbindungsabschnitten (13) und/oder der Werkstoff der Kurbelwangen (11) in einem vergüteten Zustand vorliegen.
Gebaute Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit des Werkstoffes der Verbindungsabschnitte (13) der Lagerzapfen (10) einen Wert von 900 N/mm² bis 1300 N/mm² und bevorzugt von 1100 N/mm² aufweist und/oder dass die Festigkeit des Werkstoffes der Kurbelwangen (11) wenigstens im Bereich des Zentrierabsatzes (15) einen Wert von 1100 N/mm² bis 1500 N/mm² und bevorzugt von 1300 N/mm² aufweist.
Gebaute Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eingangsseitige Zentrierabsatz (15) der Aufnahmeöffnung (12) eine Einführfase mit einem zu einer Fügeachse (17) gebildeten Fasenwinkel von 5° bis 25° und vorzugsweise von 10° aufweist und/oder dass der Zentrierabsatz (15) einen außenseitigen Absatzdurchmesser (D) aufweist, der größer ist als die Rollierberge (16a) des Rollierprofils (16) und einen innenseitigen Absatzdurchmesser (d) aufweist, der kleiner ist als die Rollierberge (16a) des Rollierprofils (16).
Gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen (10), die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwelle ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen (11), in die Aufnahmeöffnungen (12) eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen (12) endseitig an den Lagerzapfen (10) ausgebildete Verbindungsabschnitte (13) eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen (12) eine Verzahnung (14) aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen (12) an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz (15) der Aufnahmeöffnungen (12) anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte (13) ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil (16) aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte (13) in die Aufnahmeöffnungen (12) eine durch die Verzahnung (14) verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollierprofil (16) über einer Rollierlänge (r) auf dem Verbindungsabschnitt (13) ausgebildet ist, die kürzer ist als eine Kontaktlänge (l) der Fügeverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt (13) und der Kurbelwange (11).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollierprofil (16) eine Abfolge von Profilbergen (16a) und Profiltälern (16b) aufweist, wobei das Rollierprofil (16) so ausgebildet ist, dass dieses auf der Kontaktlänge (l) wenigstens in Richtung des Überganges vom Verbindungsabschnitt (13) in den Lagerzapfen (10) seitlich mit einem Profilberg (16a) abschließt.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kontaktlänge (l) der Fügeverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt (13) und der Kurbelwange (11) kürzer ausgebildet ist als die Länge (L) des Verbindungsabschnittes (13).
Gebaute Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Profiltäler (16b) innerhalb der Kontaktlänge (l) der Fügeverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt (13) und der Kurbelwange (11) befinden.
Gebaute Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Verzahnung (14) verursachte plastische Umformung des Rollierprofils (16) durch ein vorwiegend seitliches Eindrücken der Profilberge (16a) in benachbarte Profiltäler (16b) erfolgt, wodurch sich ein vergrößerter Kontaktbereich des Rollierprofils (16) mit der Verzahnung (14) bildet.
Gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen (10), die zur Lagerung der Kurbelwelle in einer Lageraufnahme oder zur Aufnahme einer Pleuelstange an der Kurbelwelle ausgebildet sind, und mit Kurbelwangen (11), in die Aufnahmeöffnungen (12) eingebracht sind, sodass in die Aufnahmeöffnungen (12) endseitig an den Lagerzapfen (10) ausgebildete Verbindungsabschnitte (13) eingepresst sind, wobei die Aufnahmeöffnungen (12) eine Verzahnung (14) aufweisen, die sich innenseitig und im Wesentlichen achsparallel in den Aufnahmeöffnungen (12) an einen eingangsseitigen Zentrierabsatz (15) der Aufnahmeöffnungen (12) anschließen, und wobei die Verbindungsabschnitte (13) ein im Wesentlichen umlaufendes Rollierprofil (16) aufweisen, an dem durch das Fügen der Verbindungsabschnitte (13) in die Aufnahmeöffnungen (12) eine durch die Verzahnung (14) verursachte wenigstens bereichsweise gebildete plastische Umformung erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (14) innenseitig in wenigstens einer der Aufnahmeöffnungen (12) auf zumindest einen Teilumfang der Aufnahmeöffnung (12) beschränkt ist.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bereich (X) in der Aufnahmeöffnung (12), der frei von einer Verzahnung (14) ausgebildet ist, eine zylindrische Innenumfangsfläche aufweist.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine Bereich (X) über einen Winkelbereich (a) der Aufnahmeöffnung (12) mit einem Wert von 0° bis 45° und bevorzugt von 30° bis 45° erstreckt.
Gebaute Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurbelwange (11) zwei Aufnahmeöffnungen (12) aufweist, wobei der wenigstens eine Bereich (X) in dem Halbkreis der Aufnahmeöffnung (12) eingebracht ist, der zur benachbarten Aufnahmeöffnung (12) in der Kurbelwange (11) weist.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei Aufnahmeöffnungen (12) in der Kurbelwange (11) eine Symmetrieebene (S) in der Kurbelwange (11) gebildet ist, in der die beiden Mittenachsen (18) der Aufnahmeöffnungen (12) liegen, wobei die Bereiche (X) seitlich zur Symmetrieebene (S) in der Innenumfangsfläche gleichseitig in der Aufnahmeöffnung (12) eingebacht sind.