DE102014220438A1

DE102014220438A1 - Maschinenelement

Info

Publication number: DE102014220438A1
Application number: DE102014220438.0A
Authority: DE
Inventors: Bidan Dong-Dietsche; Ria Jösch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Maschinenelement aus einem metallischen Werkstoff mit zumindest einem ersten Querschnitt, zu dem benachbart einstückig und materialeinheitlich eine Querschnittserweiterung angeordnet ist, wobei der Übergang vom ersten Querschnitt zur Querschnittserweiterung zumindest einen ersten und einen zweiten Übergangsradius aufweist, wobei der erste und der zweite Übergangsradius spanend hergestellt sind und unstetig, mit einer zwischen dem ersten Querschnitt und der Querschnittserweiterung radial außen umlaufenden Spitze ineinander übergehen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Hauptnormalspannung des Maschinenelements unter hohen statischen und/oder dynamischen Biege- und/oder Torsionsbelastungen im Übergangsbereich vom ersten Querschnitt, beispielsweise einem zylindrischen Abschnitt zur Querschnittserweiterung deutlich reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gattungsgemäße Maschinenelemente sind beispielsweise Kurbelwellen, Zahnräder, Turbinenräder, Flansche usw.. Es handelt sich hierbei um Maschinenelemente, die häufig drehbeweglich in einem Lager gelagert sind und pulsierenden und/oder statischen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielsweise bei Betrachtung einer Kurbelwelle ergibt sich am Übergangsbereich von einer Kurbelwange zu dem korrespondierenden Lagerzapfenabschnitt bei hoher statischer und/oder dynamischer Biege- und/oder Torsionsbelastung eine große Hauptnormalspannung.
Spannung ist die Kraft pro Flächeneinheit. Spannungen wirken in einem Festkörper, der einer Kraft ausgesetzt ist. Die in einem Körper wirkende Spannung kann einen materialspezifischen maximalen Grenzwert nicht überschreiten, der als Festigkeit bezeichnet wird. Bei Überschreiten der Festigkeit erfolgt ein Spannungsabfall, der mit mechanischem Versagen, wie einem Bruch und irreversibler Verformung verbunden ist. Beim Kraftansatz an einer Fläche eines Körpers wirken zwei Spannungskomponenten: die Normalspannung (σ_n) normal zur Fläche und die Scherspannung (T) parallel zur Fläche.
Normalspannungen können als positive Druckspannung (Kompression) oder negative Zugspannung (Tension) auftreten. Für jeden Punkt innerhalb eines Körpers kann man sich eine unendliche Zahl von Flächenlagen vorstellen. Bei einer Kraft von außen wirken entlang jeder dieser Flächen Normal- und Scherspannungen. Die Gesamtheit dieser Spannungen an einem Punkt bezeichnet man als den Spannungszustand an diesem Punkt. Der Spannungszustand für ein infinitesimal kleines Körperelement lässt sich mathematisch als dreidimensionaler Spannungstensor mit drei Normal- und sechs Scherspannungskomponenten darstellen. Es gibt allerdings eine einzige räumliche Orientierung des infinitesimal kleinen Kubus, bei welcher die Scherspannungen gleich Null sind. In diesem Fall wird der Spannungstensor allein durch die drei Normalspannungen definiert, die als Hauptnormalspannungen σ₁ > σ₂ > σ₃ bezeichnet werden. Graphisch wird der Spannungstensor als Spannungsellipsoid dargestellt, also durch Größe und Orientierung der Ellipsoidachsen σ₁, σ₂ und σ₃.
So ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 452 272 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ein Verfahren zum Festwalzen von Übergängen zwischen den Lagerzapfen und Wangen von Kurbelwellen bekannt. Es ist ein Verfahren zum Festwalzen von Radien oder Einstichen am Übergang zwischen den Lagerzapfen und der angrenzenden Wange einer Lagerstelle einer Kurbelwelle mit Hilfe von Festwalzrollen. Die Festwalzrollen werden unter Drehung der Kurbelwelle mit einer Festwalzkraft bis zu einer vorgegebenen Einwalztiefe in den Radius des Übergangs gedrückt. Der Übergang wird zunächst mit einer ersten Festwalzrolle, die einen Radius zum Radius des Übergangs ein Schmiegungsverhältnis zwischen 1 und 0,85 mm hat und mit einer ersten Festwalzkraft festgewalzt, die im Übergang eine maximale Druckeigenspannung in einer Tiefe zwischen 1 und 2 mm unterhalb der festgewalzten Oberfläche hervorruft und sodann mit einer zweiten Festwalzrolle, die einen kleineren Radius hat als die erste Festwalzrolle, die an Größe so bemessen ist, dass die zweite Festwalzrolle gegenüber der mit der ersten Festwalzrolle erzielten eine weitergehende plastische Verformung auf der festgewalzten Oberfläche des Übergangs hervorruft.
Nachteilig an dieser bekannten Methode ist die sehr aufwendige Fertigung, die zum Festwalzen von Übergängen zwischen den Lagerzapfen und Wangen von Kurbelwellen benötigt wird. Weiter wird bei einem weiteren Härtvorgang die durch das Walzen erzeugte Kaltverfestigung des Materials wieder zunichte gemacht.
Weiter wird in der europäischen Patentanmeldung EP 1 870 605 A1 ein Werkstück, insbesondere eine Kurbelwelle, mit erhöhter dynamischer Festigkeit vorgeschlagen. Die Kurbelwelle umfasst mindestens einen Wellenzapfen, mindestens eine im wesentlichen senkrecht dazu verlaufend ausgebildete Kurbelwange und einen zwischen den Wellenzapfen und der Kurbelwange ausgebildeten Übergangsbereich, wobei der Übergangsbereich mindestens zwei unterschiedliche Krümmungen aufweist, wobei zumindest zwischen den zwei Krümmungen eine Übergangsgerade angeordnet ist.
Auch wenn mit diesem Werkstück, insbesondere eine Kurbelwelle mit erhöhter dynamischer Festigkeit dargestellt ist, ist die Minimierung der Hauptnormalspannung für viele Fälle im Übergangsbereich zwischen Kurbelwange und Lagerzapfen nicht ausreichend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausgestaltung für ein gattungsgemäßes Maschinenelement aufzuzeigen, bei dem die Hauptnormalspannung unter hohen statischen und/oder dynamischen Biege- und/oder Torsionsbelastungen im Übergangsbereich vom ersten Querschnitt, beispielsweise einem zylindrischen Abschnitt, zur Querschnittserweiterung deutlich reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Hauptnormalspannung des Maschinenelements unter hohen statischen und/oder dynamischen Biege- und/oder Torsionsbelastungen im Übergangsbereich vom ersten Querschnitt, beispielsweise einem Lagerabschnitt, zur Querschnittserweiterung, im Falle einer Kurbelwelle eine Kurbelwange, deutlich reduziert. Gleichzeitig ist die spanende Bearbeitung deutlich einfacher und kostengünstiger als beispielsweise das Walzen, wobei eine anschließende Härtung, beispielsweise durch Induktionshärtung oder Gasnitrieren der Doppelkerben in vorteilhafter Weise gleichzeitig mit der Lagerabschnittshärtung möglich ist. Neben Kurbelwellen können auch Zahnräder, Turbinenräder, Flansche usw. erfindungsgemäß bearbeitet werden. Bei Turbinenrädern handelt es sich hierbei um den Übergang vom Schaufelblatt zum Schaufelfuß. Diese erfindungsgemäße Art von Übergang kann für Gas- oder Dampfturbinenschaufeln oder auch in Triebwerken zum Einsatz kommen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So ist mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 eine weitere Feinoptimierung zur Reduzierung der Hauptnormalspannung im kritischen Übergangbereich des Maschinenelementes möglich.
Die Maschinenelemente gemäß den Patentansprüchen 3 bis 6 sind besonders bevorzugte Maschinenelemente, die aber keine vollständige Aufzählung darstellen.
In vorteilhafter Weise ist das Maschinenelement gemäß Patentanspruch 7 nach der spanenden Bearbeitung in einem einzigen Härtvorgang, beispielsweise durch induktives Härten oder Gasnitrieren, härtbar.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand des Standes der Technik in drei Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Maschinenelement.
2 zeigt die grafisch eine Hauptnormalspannung für ein erfindungsgemäßes Maschinenelement.
3 zeigt grafisch eine Hauptnormalspannung für ein Maschinenelement aus dem Stand der Technik.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Maschinenelement 1 aus einem metallischen Werkstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kurbelwelle mit einem zylindrischen Abschnitt mit einem ersten Querschnitt 2, der der Lagerung der Kurbelwelle in einem nicht dargestellten Kurbelwellenlager dient und einer Querschnittserweiterung 3, die einer Kurbelwange entspricht. Das erfindungsgemäße Maschinenelement 1 weist im Übergang vom zylindrischen Abschnitt 2 zur Querschnittserweiterung 3 einen ersten und einen zweiten Übergangsradius 4, 5 auf. Die Mittelpunktkoordinaten des ersten Übergangsradius 4 sind mit Xi und Yi und der Radius des ersten Übergangsradius 4 ist mit Ki angegeben. Die Mittelpunktkoordinaten des zweiten Übergangsradius 5 sind mit Xj und Yj und der Radius des zweiten Übergangsradius 5 ist mit Kj angegeben.
Erfindungsgemäß sind der erste und der zweite Übergangsradius 4, 5 spanend hergestellt und gehen unstetig mit einer zwischen dem ersten Querschnitt 2 und der Querschnittserweiterung 3 radial außen umlaufenden Spitze 6 ineinander über. Praktisch handelt es sich bei der Spitze 6 um eine umlaufende schneidenförmige Spitze 6, die sich zwischen dem ersten Querschnitt 2 und der Querschnittserweiterung 3 und zwischen dem ersten und zweiten Übergangsradius 4, 5 erstreckt.
Unter Übergangsradius 4, 5 werden nicht nur mathematisch definierte Radien verstanden, es können auch elliptische oder allgemein stetig verlaufende Verrundungen sein, die durch die unstetige, schneidenförmige Spitze 6 voneinander getrennt sind. Auch mit diesen Geometrien werden wirksame Resultate, sprich eine Reduzierung der Normalhauptspannung, erhalten.
Unter metallischen Werkstoffen werden alle metallischen Werkstoffe wie z. B. Stahl, Gusseisen, Leichtmetalle oder metallische Legierungen verstanden, die vorzugsweise härtbar sind.
In einem weiteren Optimierungsschritt, wie in 1 erkennbar, sind die Übergangsradien 4, 5 ungleich groß. Bevorzugt beträgt der Radius des kleineren Übergangsradius zwischen 10% und 90% des größeren Übergangsradius, besonders bevorzugt zwischen 50% und 80%. Bevorzugt weist der Radius der Übergangsradien 4, 5 1% bis 30% des Außendurchmessers des ersten Querschnitts 2, beispielsweise eines zylindrischen Bereiches auf.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Maschinenelement 1 um eine Kurbelwelle oder ein Zahnrad oder ein Turbinenrad (Übergang vom Schaufelblatt zum Schaufelfuß) oder einen Flansch. Diese Aufzählung ist nicht vollständig, sondern die Erfindung umfasst alle Maschinenelemente mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vorteilhafter Weise ist das Maschinenelement 7 nach der spanenden Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen oder Schleifen, in einem einzigen Härtvorgang, beispielsweise durch induktives Härten oder Gasnitrieren, härtbar.
Wie bereits erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei Werkstücken mit hohen statischen und/oder dynamischen Biege- und Torsionsbelastungen für:

– Kurbelwellen,
– Turbinenschaufelfüße, z. B. Gasturbinen- und Dampfturbinenschaufelfüße,
– Allgemeine Flanschübergänge usw..

2 zeigt grafisch eine Hauptnormalspannung für ein erfindungsgemäßes Maschinenelement 1, in diesem Fall eine Kurbelwelle mit einer Doppelkerbe am Übergang vom ersten Querschnitt 2 zur Querschnittserweiterung 3, wobei der erste Übergangsradius 4 (R1) 1,6 mm und der zweite Übergangsradius 5 (R2) 1,45 × R1 beträgt. Eine numerische Berechnung zeigt, dass für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Maschinenelements 1 die Hauptnormalspannung 835 MPa (Megapascal) bei einer definierten Biegebelastung beträgt.
3 zeigt in einer gleichen Darstellung wie 2 nochmals eine serienmäßige Kurbelwelle, mit einem einzigen Übergangsradius (R1) mit der Größe 1,6 mm. Gegenüber der erfindungsgemäßen Ausgestaltung beträgt die Hauptnormalspannung für die serienmäßige Kurbelwelle 889 MPa bei der definierten Biegebelastung, d. h. sie ist deutlich höher.
Somit ist durch eine numerische Berechnung gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Hauptnormalspannung des Maschinenelements 1 unter hohen statischen und/oder dynamischen Biege- und/oder Torsionsbelastungen im Übergangsbereich vom ersten Querschnitt 2, beispielsweise einem zylindrischen Abschnitt, zur Querschnittserweiterung 3 in vorteilhafter Weise deutlich reduziert ist.
Bezugszeichenliste

1: Maschinenelement
2: erster Querschnitt
3: Querschnittserweiterung
4: erster Übergangsradius
5: zweiter Übergangsradius
6: Spitze

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

EP 1452272 A1 [0005]
EP 1870605 A1 [0007]

Claims

Maschinenelement (1) aus einem metallischen Werkstoff mit zumindest einem ersten Querschnitt (2), zu dem benachbart einstückig und materialeinheitlich eine Querschnittserweiterung (3) angeordnet ist, wobei der Übergang vom ersten Querschnitt (2) zur Querschnittserweiterung (3) zumindest einen ersten und einen zweiten Übergangsradius (4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Übergangsradius (4, 5) spanend hergestellt sind und unstetig, mit einer zwischen dem ersten Querschnitt (2) und der Querschnittserweiterung (3) radial außen umlaufenden Spitze (6) ineinander übergehen.
Maschinenelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Übergangsradien (4, 5) ungleich groß sind.
Maschinenelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (1) eine Kurbelwelle ist.
Maschinenelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (1) ein Zahnrad ist.
Maschinenelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (1) ein Turbinenrad ist.
Maschinenelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (1) ein Flansch ist.
Maschinenelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (1) nach der spanenden Bearbeitung härtbar ist.