DE102017102447A1 - Verfahren zum Einbauen einer Druckeigenspannung in ein rotationssymmetrisches Metallbauteil, Drehstabfeder sowie Verwendung einer solchen - Google Patents
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Abstract
Beschrieben ist ein Verfahren zum Einbauen einer Druckeigenspannung in die oberflächennahe Zone eines als Stab oder Rohr ausgelegten Metallbauteils 1 mit um seine Längsachse 3 gekrümmter Mantelfläche mittels eines mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses. Während des Durchführens des mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses wird das Metallbauteil 1 in einer tordierten Vorspannung gehalten.Beschrieben ist des Weiteren eine Drehstabfeder 1 mit einer in einer oberflächennahen Zone eingebauten Druckeigenspannung, wobei die eingebaute Druckeigenspannung in der einen Torsionsrichtung größer ist als in der entgegengesetzten Torsionsrichtung.Beschrieben ist des Weiteren eine Verwendung einer solchen Drehstabfeder 1.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbauen einer Druckeigenspannung in die oberflächennahe Zone eines als Stab oder Rohr ausgelegten Metallbauteils mit um seine Längsachse gekrümmter Mantelfläche mittels eines mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses. Beschrieben sind des Weiteren eine Drehstabfeder mit einer in einer oberflächenahen Zone eingebauten Druckeigenspannung sowie eine Verwendung einer solchen Drehstabfeder.
- Derartige Metallbauteile können beispielsweise Drehstabfeder sein. Drehstabfedern, auch als Torsionsstäbe bezeichnet, werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt, bei denen der Federvorgang durch eine Torsion der Drehstabfeder bewirkt wird. Verwendet werden Drehstabfedern beispielsweise als Teil von Fahrwerksaufhängungen, etwa als Stabilisatoren oder als Radträger bei Raupenfahrzeugen. Drehstabfedern, die als Teil von Fahrwerken verwendet werden, sind aus einem Federstahl hergestellt und sind entsprechend vergütet.
- Federn gleich welcher Art aus Metall, insbesondere aus Federstahl werden in vielen Fällen zur Erhöhung ihrer dynamischen Belastbarkeit und damit auch ihrer Lebensdauer in einem mechanischen Oberflächenverfestigungsprozess ihrer oberflächennahen Zone unterworfen. Durch einen solchen Prozess wird in einer oberflächennahen Randzone eine Druckeigenspannung aufgebaut. Bei dem Prozess des Einbaus einer solchen Druckeigenspannung durch eine Oberflächenverfestigung werden zugleich Oberflächenfehler beseitigt. Eine solche Oberflächenverfestigung kann im Wege eines als Spannungsstrahlen ausgelegten Kugelstrahlens durchgeführt. Eine weitere Steigerung in der Lebensdauer kann erreicht werden, wenn die Federn in Belastungsrichtung vorgespannt, dem Kugelstrahlen unterworfen werden. Die Tiefe mit der durch Kugelstrahlen eine Druckeigenspannung in einem Metallbauteil eingebaut werden kann, ist begrenzt. Neben einem Kugelstrahlen kann eine Druckeigenspannung in eine Oberflächennahenzone auch durch Festwalzen eingebracht werden. Dieser Prozess erlaubt zwar den Einbau einer Druckeigenspannung in die oberflächennahe Zone bis in eine größere Tiefe. Allerdings kann dieser Prozess nur bei ganz bestimmten Federgeometrien durchgeführt werden, wenn über die gesamte Oberfläche eine Druckeigenspannung auf diesem Wege eingebaut werden soll. Zudem ist ein solches Verfahren deutlich kostspieliger in seiner Durchführung. Drehstabfedern eignen sich aufgrund ihrer Rotationssymmetrie zum Einbau einer Druckeigenspannung durch Festwalzen. Auch wenn mit dem Prozess des Festwalzens eine Druckeigenspannung bis in eine größere Tiefe als mit Kugelstrahlen eingebaut werden kann, sind auch diesem Verfahren Grenzen gesetzt.
- Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem die dynamische Belastbarkeit beziehungsweise die Lebensdauer eines beispielsweise als Drehstabfeder ausgelegten rotationssymmetrischen Metallbauteils erhöht werden kann.
- Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes gattungsgemäßes Verfahren, bei dem während des Durchführens des mechanischen Oberflächenbefestigungsprozesses das Metallbauteil in einer tordierten Vorspannung gehalten wird.
- Bei diesem Verfahren wird das rotationssymmetrische Metallbauteil, also beispielsweise die Drehstabfeder, während des Prozesses der mechanischen Oberflächenverfestigung in einer tordierten Vorspannung gehalten. Es wird angenommen, dass im Rahmen dieser Ausführungen erstmals beschrieben ist, einen als Stab oder ein als Rohr ausgelegtes Metallteil in einer tordierten Vorspannung gehalten, einem mechanischen Oberflächenverfestigungsprozess zu unterwerfen. Untersuchungen an Drehstabfedern, deren Mantelfläche mit diesem Verfahren verfestigt worden ist, haben gezeigt, dass die eingebaute Druckeigenspannung um 30 bis 40% gesteigert werden konnte. Diese signifikante Erhöhung der eingebauten Druckeigenspannung stellt sich nach der Entnahme des Metallbauteils, beispielsweise der Drehstabfeder ein, wenn diese aus ihrer tordierten Vorspannungshaltung herausgenommen wird. Die tordierte Vorspannung wird für den Prozess des Festwalzprozesses in derjenigen Richtung eingestellt, die der späteren Hauptbelastungsrichtung entspricht.
- Einhergeht mit diesem Prozess, dass das rotationssymmetrische Metallbauteil in der anderen Torsionsrichtung typischerweise keine Druckeigenspannungssteigerung sondern unter Umständen eine gewisse Druckeigenspannungsreduzierung aufweist. Insofern hat man sich bei diesem Konzept über die herrschende Meinung hinweggesetzt, dass eine Feder - und so auch eine Drehstabfeder - in ihren Federbewegungswegen jeweils eine gleiche Druckeigenspannung aufweisen muss. Insofern wird in geschickter Weise der Umstand genutzt, dass der Einfederungsvorgang der von der Belastung her kritischere in Bezug auf eine dynamische Belastbarkeit und die Lebensdauer ist.
- Eine nach diesem Verfahren hergestellte Drehstabfeder verfügt somit über eine in die eine Torsionsrichtung wirkende größere Druckeigenspannung als in der entgegengesetzten Torsionsrichtung. Für die Entwicklung dieses Konzeptes war es daher wesentlich zu erkennen, dass die Lebensdauer selbst dann erhöht wird, wenn die Druckeigenspannungen nur in einer Torsionsrichtung erhöht ist. Es versteht sich, dass diese Torsionsrichtung mit der höheren eingebauten Druckeigenspannung der Hauptbelastungsrichtung der Drehstabfeder bei ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung entspricht. Die vorgeschriebenen Vorteile stellen sich bei einem solchen Metallbauteil ein, unabhängig davon, ob es ein Stab oder ein Rohr ist. Um umfänglich eine einheitliche Oberflächenverfestigung herbeiführen zu können, weist das Metallbauteil eine um seine Längsachse gekrümmte Mantelfläche auf. Die Vorteile dieses Konzeptes lassen sich bei unterschiedlichen Oberflächenverfestigungsverfahren nutzen, und zwar beim Kugelstrahlen ebenso wie beim Festwalzen. Wird eine Drehstabfeder als beispielhaftes Metallbauteil unter einer tordierten Vorspannung kugelgestrahlt, ist die in Hauptbelastungsrichtung wirkende Druckeigenspannung nach Entnahme der gestrahlten Drehstabfeder aus der sie in Vorspannung haltenden Halterung ebenfalls signifikant höher, verglichen mit der Druckeigenspannung, die durch Kugelstrahlen ohne tordierte Vorspannung eingebracht werden kann.
- Bei diesem Verfahren ist es möglich, dass die Drehstabfeder als beispielhaftes als Stab oder Rohr ausgelegtes Metallbauteil während des Prozesses der Oberflächenverfestigung unter einer gleichbleibenden Vorspannung gehalten wird. Ebenso ist es möglich, dass die auf die Drehstabfeder wirkende Vorspannung während des Prozesses der mechanischen Oberflächenverfestigung geändert wird. Ist eine solche Änderung der Vorspannung vorgesehen, wird man diese in aller Regel über die axiale Länge der Drehstabfeder variieren, sodass sich ein variables Druckeigenspannungsbild entlang des Metallbauteils ergibt.
- Unter Vorspannung kann eine Drehstabfeder als beispielhaftes Metallbauteil bei dem Vorgang des Festwalzens wie folgt erzeugt werden. Ausgenutzt wird bei Vorsehen eines solchen Oberflächenverfestigungsprozesses der Umstand, dass die Drehstabfeder um ihre Längsachse rotiert, während das oder die Festwalzwerkzeuge in längsaxialer Richtung gegenüber der Drehstabfeder bewegt werden. Die Torsionsvorspannung lässt sich dadurch einstellen, dass die Drehstabfeder mit einem entsprechenden Werkzeug an ihrem einen Ende in die gewünschte Drehbewegung gebracht wird und dass auf den gegenüberliegenden Endabschnitt ein Antriebsgegenmoment, beispielsweise unter Verwendung einer Rutsch- oder Ölkupplung aufgebracht wird. Das Rotationsmoment und das diesem entgegenwirkenden Gegenmoment sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass in die Drehstabfeder die vorgesehene Vorspannung eingebracht wird. Dieses erlaubt auch den vorbeschriebenen variablen Einbau einer Druckeigenspannung über die Längserstreckung der Drehstabfeder. Die tordierte Vorspannung, unter der der Oberflächenverfestigungsprozess durchgeführt wird, wird man in Abhängigkeit von dem gewünschten Einsatzzweck des Metallbauteils, also beispielsweise der Drehstabfeder wählen. Die Vorspannung einer Drehstabfeder kann beispielsweise zwischen 25° und 50° betragen. Auch andere Vorspannungswerte sind möglich. Den Vorspannwinkel wird man in Abhängigkeit von der Länge der Drehstabfedern, dem Durchmesser derselben und der gewünschten Vorspannung auswählen.
- Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 : eine schematisierte Darstellung einer Drehstabfeder, die einem Oberflächenverfestigungsprozess unterworfen werden soll, -
2 : die Drehstabfeder der1 in einem ersten Verfahrensschritt, bei dem diese in eine tordierte Vorspannung gesetzt ist, -
3 : die Drehstabfeder nach Durchführen des Oberflächenverfestigungsprozesses -
4 : die oberflächenverfestigte Drehstabfeder der3 nach Entnahme aus der diese unter Vorspannung haltenden Einrichtung und -
5 : eine schematisierte Darstellung einer Oberflächenverfestigungseinrichtung, mit der die Oberflächenverfestigung der Drehstabfeder der1 bis4 durchgeführt worden ist. - Eine aus einem Federstahl hergestellte Drehstabfeder
1 ist schematisiert in1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Die Drehstabfeder1 weist eine kreisrunde Querschnittsgeometrie und damit eine zylindrische Mantelfläche auf. Die Drehstabfeder1 ist in an sich bekannter Art und Weise hergestellt und vergütet worden. Die dynamische Belastbarkeit und die Lebensdauer der Drehstabfeder1 soll durch Einbau einer oberflächennahen Druckeigenspannung erhöht werden. Dieser Prozess ist nachfolgend beschrieben: - In der
1 ist zum Symbolisieren des Atomgitters des Federstahls der Drehstabfeder1 ein Rechteck2 eingezeichnet. Die Langachse des Rechteckes2 folgt der Längserstreckung des Drehstabes1 und verläuft damit parallel zu seiner Längsachse3 . Der Vorgang der Oberflächenverfestigung wird vorgenommen, wenn sich die Drehstabfeder1 in einer gewissen tordierten Vorspannung befindet. Die anzulegende Vorspannung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Verdrehwinkel4 von 45° vorgenommen. Zu diesem Zweck wird das in1 gezeigte rechte Ende5 der Drehstabfeder1 entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil angedeutet, gegenüber dem diesbezüglich festgelegten Ende6 verdreht. In den Figuren ist mit dem BezugszeichenM eine Markierung angegeben, durch die die Drehwinkellage des Endes5 der Drehstabfeder1 kenntlich gemacht ist. Gestrichelt ist der durch die Torsion gewünschte Linienverlauf in1 gezeigt. Diese Torsion bewirkt eine Scherung in dem Atomgitter. Der Scherwinkel ist in1 mit dem Bezugszeichen7 kenntlich gemacht. -
2 zeigt die vorgespannte Drehstabfeder1 . In Folge der Scherung hat sich das Atomgitter zu einem Parallelogramm verformt. Die die Längserstreckung des Rechteckes2 verdeutlichende Oberflächenlinie verläuft gegenüber der Längsachse3 der Drehstabfeder1 nicht mehr parallel. In diesem vorgespannten Zustand wird die Drehstabfeder1 dem Oberflächenverfestigungsprozess unterworfen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Oberflächenverfestigung mittels eines Festwalzprozesses durchgeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zu diesem Zweck die Drehstabfeder1 in ihrer vorgespannten Stellung um ihre Längsachse3 gedreht, während ein Festwalzwerkzeug die Oberfläche bearbeitet und in längsaxialer Richtung an der Mantelfläche der Drehstabfeder1 vorbei bewegt wird. Ein solches Festwalzwerkzeug ist in4 schematisiert gezeigt. Ist die Oberflächenverfestigung abgeschlossen, entspricht die Orientierung des Atomgitters bezüglich seiner Längsachse wiederum derjenigen der1 , wie aus3 ersichtlich. Allerdings befindet sich die MarkierungM nach wie vor in der tordierten Vorspannungsstellung und somit gegenüber der Stellung in1 um 45° verdreht. Deutlich wird aus der Änderung der Atomgitterform, dass eine Längung in längsaxialer Richtung stattgefunden hat. In Querrichtung hat sich hingegen der Atomabstand verringert. Dieses bedingt eine höhere Druckeigenspannung in dieser Richtung. Da die Drehstabfeder1 bei ihrer Verwendung auf Torsion belastet wird, entspricht dieses den Belastungsrichtungen. Wird die Drehstabfeder aus der die Vorspannung bewirkenden Einrichtung entnommen, entspannt sich diese aufgrund ihrer Federeigenschaften, was wiederum zu einer Verformung des Atomgitters vor allem im oberflächennahen, verfestigten Randbereich führt. Erkennbar ist dieses an der erneuten Formänderung des Rechteckes2 . Diese Verschiebung bewirkt eine Verkürzung der Diagonalen8 des Rechteckes2 , hingegen eine Verlängerung der Diagonalen 9. Die Verringerung des Atomabstandes in Richtung der Diagonalen8 führt zu einer Erhöhung der Druckeigenspannung. Diese Richtung ist die vorgesehene Belastungsrichtung der Drehstabfeder1 , sodass diese in dieser Richtung eine besonders hohe Druckeigenspannung aufweist. - Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde durch den Festwalzprozess eine Druckeigenspannung von 500 N/mm2 eingebaut. In der vorgespannten Stellung der Drehstabfeder
1 gemäß3 wirkt diese in beiden Federbewegungsrichtungen der Drehstabfeder1 in gleicher Weise. - Nach dem Entspannen der Drehstabfeder
1 weist diese, wie in4 deutlich gemacht, in beide Federbewegungsrichtungen eine unterschiedliche Druckeigenspannung auf, die in der vorgesehenen Belastungsrichtung nochmals signifikant, und zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um etwa 200 N/mm2 vergrößert werden konnte. Die mit der Vergrößerung der Druckeigenspannung in der späteren Belastungsrichtung einhergehende Erniedrigung in der späteren Entlastungsrichtung der Drehstabfeder1 , durch die Verlängerung der Diagonale9 erkennbar, wirkt sich nicht nachteilig auf die dynamischen Eigenschaften und vor allem auf die Lebensdauer der Drehstabfeder1 aus. -
5 zeigt schematisiert eine Festwalzeinrichtung10 , mit der der Oberflächenverfestigungsprozess der Drehstabfeder1 durchgeführt worden ist. Die Festwalzvorrichtung10 verfügt über eine Drehstabfederhalterung11 . Diese umfasst eine Antriebseinheit12 , die drehmomentschlüssig an das Ende5 der Drehstabfeder1 angeschlossen ist. Mittels der Antriebseinheit 12 kann die Drehstabfeder1 um ihre Längsachse3 rotiert werden. Der Drehstabfederhalterung11 ist neben der Antriebseinheit12 eine Gegenmomenteinheit13 zugeordnet, die ebenfalls um die Längsachse3 drehbar gelagert ist. Mit der Gegenmomenteinheit13 , die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Rutschkupplung ausgebildet ist, wird dem über die Antriebseinheit12 in die Drehstabfeder1 eingebrachten Drehmoment ein Gegenmoment erzeugt mit der Folge, dass die Drehstabfeder1 tordiert wird. Die Antriebseinheit12 und die Gegenmomenteinheit13 sind aufeinander abgestimmt, um den gewünschten Verdrehwinkel von 45° zu erzielen. Die Gegenmomenteinheit kann zu diesem Zweck kraftgesteuert das Gegenmoment bereit stellen. - Die Festwalzeinrichtung
10 verfügt ferner über mehrere Festwalzwerkzeuge 14, von denen in der5 beispielhaft nur eines gezeigt ist. Das Festwalzwerkzeug14 ist in Richtung der Längsachse3 der Drehstabfeder1 in nicht näher dargestellter Art und Weise verfahrbar und bearbeitet die Oberflächen der Drehstabfeder1 , während diese sich dreht. - Ein als Stab oder Rohr ausgelegtes Metallbauteil mit um seine Längsachse gekrümmter Mantelfläche, wie beispielsweise eine Drehstabfeder
1 eignet sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzgebiete, beispielsweise als Drehstabfeder im Zusammenhang mit einer Fahrwerksaufhängung, beispielsweise als Radträger eines Raupenfahrzeuges. Die signifikante Erhöhung der Druckeigenspannung in Belastungsrichtung, die über die Richtung der Vorspannung frei wählbar ist, erlaubt, bei gleicher dynamischer Beanspruchung und gleicher Lebensdauer wie herkömmliche Drehstabfedern, dass diese kleiner bauend ausgelegt sein können, was eine Gewichtsreduzierung zur Folge hat. - Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Anspruch der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, die Erfindung im Rahmen der geltenden Ansprüche umzusetzen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Drehstabfeder
- 2
- Rechteck
- 3
- Längsachse
- 4
- Verdrehwinkel
- 5
- Ende
- 6
- Ende
- 7
- Scherwinkel
- 8
- Diagonale
- 9
- Diagonale
- 10
- Festwalzeinrichtung
- 11
- Drehstabfederhalterung
- 12
- Antriebseinheit
- 13
- Gegenmomenteinheit
- 14
- Festwalzwerkzeug
- M
- Markierung
Claims (15)
- Verfahren zum Einbauen einer Druckeigenspannung in die oberflächennahe Zone eines als Stab oder Rohr ausgelegten Metallbauteils (1) mit um seine Längsachse (3) gekrümmter Mantelfläche mittels eines mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchführens des mechanischen Oberflächenbefestigungsprozesses das Metallbauteil (1) in einer tordierten Vorspannung gehalten wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren eine Druckeigenspannung in eine Drehstabfeder (1) eingebaut wird. - Verfahren nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstabfeder (1) aus einem Federstahl hergestellt ist. - Verfahren nach
Anspruch 2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstabfeder (1) während des Prozesses der Oberflächenverfestigung unter gleichbleibender Vorspannung gehalten wird. - Verfahren nach
Anspruch 2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass während des Prozesses der Oberflächenverfestigung die auf die Drehstabfeder (1) wirkende Vorspannung geändert wird. - Verfahren nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass über die Länge der Drehstabfeder (1) die auf die Drehstabfeder wirkende Vorspannung geändert wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Oberflächenverfestigungsprozess als Festwalzen durchgeführt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil während des Prozesses des Einbringens der Druckeigenspannung um seine Längsachse (3) gedreht wird, wobei die Rotationsbewegung des Metallbauteils durch einen an seinem einen Ende (5) angreifenden Drehantrieb bereitgestellt wird und wobei an dem anderen Ende (6) zum Bewirken der tordierten Vorspannung eine Antriebsgegenmomenteinrichtung (13) wirkt. - Verfahren nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsgegenmoment während des Prozesses des Durchführens der mechanischen Oberflächenverfestigung durch eine Rutsch- oder Ölkupplung bereitgestellt wird. - Verfahren nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenmoment während des Prozesses der mechanischen Oberflächenverfestigung und der Rotation des Metallbauteils geändert wird. - Drehstabfeder mit einer in einer oberflächennahen Zone eingebauten Druckeigenspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebaute Druckeigenspannung in der einen Torsionsrichtung größer ist als in der entgegengesetzten Torsionsrichtung.
- Drehstabfeder nach
Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung mit der höheren eingebauten Druckeigenspannung die Hauptbelastungsrichtung der Drehstabfeder (1) bei ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung ist. - Drehstabfeder nach
Anspruch 11 oder12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstabfeder (1) aus einem Federstahl hergestellt ist. - Verwendung einer Drehstabfeder nach
Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass diese als Teil einer Fahrwerksaufhängung eingesetzt wird. - Verwendung nach
Anspruch 15 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstabfeder (1) im Fahrwerk eines Raupenfahrzeugs, insbesondere als Radträger verwendet wird.
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