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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 oberflächennahen Zone eingebauten Druckeigenspannung sowie eine Verwendung einer solchen Drehstabfeder.
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Derartige Metallbauteile können beispielsweise Drehstabfedern 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.
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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 werden. 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.
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DE 694 02 803 T2 offenbart ein Verfahren zum Einbauen einer Druckeigenspannung in die oberflächennahe Zone einer Drehstabfeder, wobei die Feder durch Vortorsion kaltverfestigt wird und anschließend weiter durch Kugelstrahlen in die Oberfläche an Innen- und Außenflächen mechanisch verfestigt wird.
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In
US 3,067,800 A wird eine Vorrichtung zum Tordieren einer Drehstabfeder mit einer Dreheinheit sowie einer Antriebsgegenmomenteinrichtung offenbart.
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Ferner ist aus
CN 202571722 U das Festwalzen als mechanischer Oberflächenverfestigungsprozess einer Drehstabfeder bekannt. Ein Halten in tordierter Vorspannung während des Festwalzens wird jedoch nicht offenbart.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 der 1 in einem ersten Verfahrensschritt, bei dem diese in eine tordierte Vorspannung gesetzt ist,
- 3: die Drehstabfeder nach Durchführen des Oberflächenverfestigungsprozesses
- 4: die oberflächenverfestigte Drehstabfeder der 3 nach Entnahme aus der diese unter Vorspannung haltenden Einrichtung und
- 5: eine schematisierte Darstellung einer Oberflächenverfestigungseinrichtung, mit der die Oberflächenverfestigung der Drehstabfeder der 1 bis 4 durchgeführt worden ist.
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Eine aus einem Federstahl hergestellte Drehstabfeder 1 ist schematisiert in 1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Die Drehstabfeder 1 weist eine kreisrunde Querschnittsgeometrie und damit eine zylindrische Mantelfläche auf. Die Drehstabfeder 1 ist in an sich bekannter Art und Weise hergestellt und vergütet worden. Die dynamische Belastbarkeit und die Lebensdauer der Drehstabfeder 1 soll durch Einbau einer oberflächennahen Druckeigenspannung erhöht werden. Dieser Prozess ist nachfolgend beschrieben:
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In der 1 ist zum Symbolisieren des Atomgitters des Federstahls der Drehstabfeder 1 ein Rechteck 2 eingezeichnet. Die Langachse des Rechteckes 2 folgt der Längserstreckung des Drehstabes 1 und verläuft damit parallel zu seiner Längsachse 3. Der Vorgang der Oberflächenverfestigung wird vorgenommen, wenn sich die Drehstabfeder 1 in einer gewissen tordierten Vorspannung befindet. Die anzulegende Vorspannung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Verdrehwinkel 4 von 45° vorgenommen. Zu diesem Zweck wird das in 1 gezeigte rechte Ende 5 der Drehstabfeder 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil angedeutet, gegenüber dem diesbezüglich festgelegten Ende 6 verdreht. In den Figuren ist mit dem Bezugszeichen M eine Markierung angegeben, durch die die Drehwinkellage des Endes 5 der Drehstabfeder 1 kenntlich gemacht ist. Gestrichelt ist der durch die Torsion gewünschte Linienverlauf in 1 gezeigt. Diese Torsion bewirkt eine Scherung in dem Atomgitter. Der Scherwinkel ist in 1 mit dem Bezugszeichen 7 kenntlich gemacht.
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2 zeigt die vorgespannte Drehstabfeder 1. In Folge der Scherung hat sich das Atomgitter zu einem Parallelogramm verformt. Die die Längserstreckung des Rechteckes 2 verdeutlichende Oberflächenlinie verläuft gegenüber der Längsachse 3 der Drehstabfeder 1 nicht mehr parallel. In diesem vorgespannten Zustand wird die Drehstabfeder 1 dem Oberflächenverfestigungsprozess unterworfen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Oberflächenverfestigung mittels eines Festwalzprozesses durchgeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zu diesem Zweck die Drehstabfeder 1 in ihrer vorgespannten Stellung um ihre Längsachse 3 gedreht, während ein Festwalzwerkzeug die Oberfläche bearbeitet und in längsaxialer Richtung an der Mantelfläche der Drehstabfeder 1 vorbei bewegt wird. Ein solches Festwalzwerkzeug ist in 5 schematisiert gezeigt. Ist die Oberflächenverfestigung abgeschlossen, entspricht die Orientierung des Atomgitters bezüglich seiner Längsachse wiederum derjenigen der 1, wie aus 3 ersichtlich. Allerdings befindet sich die Markierung M nach wie vor in der tordierten Vorspannungsstellung und somit gegenüber der Stellung in 1 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 Drehstabfeder 1 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 Rechteckes 2. Diese Verschiebung bewirkt eine Verkürzung der Diagonalen 8 des Rechteckes 2, hingegen eine Verlängerung der Diagonalen 9. Die Verringerung des Atomabstandes in Richtung der Diagonalen 8 führt zu einer Erhöhung der Druckeigenspannung. Diese Richtung ist die vorgesehene Belastungsrichtung der Drehstabfeder 1, sodass diese in dieser Richtung eine besonders hohe Druckeigenspannung aufweist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde durch den Festwalzprozess eine Druckeigenspannung von 500 N/mm2 eingebaut. In der vorgespannten Stellung der Drehstabfeder 1 gemäß 3 wirkt diese in beiden Federbewegungsrichtungen der Drehstabfeder 1 in gleicher Weise. Nach dem Entspannen der Drehstabfeder 1 weist diese, wie in 4 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 Drehstabfeder 1, durch die Verlängerung der Diagonale 9 erkennbar, wirkt sich nicht nachteilig auf die dynamischen Eigenschaften und vor allem auf die Lebensdauer der Drehstabfeder 1 aus.
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5 zeigt schematisiert eine Festwalzeinrichtung 10, mit der der Oberflächenverfestigungsprozess der Drehstabfeder 1 durchgeführt worden ist. Die Festwalzvorrichtung 10 verfügt über eine Drehstabfederhalterung 11. Diese umfasst eine Antriebseinheit 12, die drehmomentschlüssig an das Ende 5 der Drehstabfeder 1 angeschlossen ist. Mittels der Antriebseinheit 12 kann die Drehstabfeder 1 um ihre Längsachse 3 rotiert werden. Der Drehstabfederhalterung 11 ist neben der Antriebseinheit 12 eine Gegenmomenteinheit 13 zugeordnet, die ebenfalls um die Längsachse 3 drehbar gelagert ist. Mit der Gegenmomenteinheit 13, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Rutschkupplung ausgebildet ist, wird dem über die Antriebseinheit 12 in die Drehstabfeder 1 eingebrachten Drehmoment ein Gegenmoment erzeugt mit der Folge, dass die Drehstabfeder 1 tordiert wird. Die Antriebseinheit 12 und die Gegenmomenteinheit 13 sind aufeinander abgestimmt, um den gewünschten Verdrehwinkel von 45° zu erzielen. Die Gegenmomenteinheit kann zu diesem Zweck kraftgesteuert das Gegenmoment bereit stellen.
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Die Festwalzeinrichtung 10 verfügt ferner über mehrere Festwalzwerkzeuge 14, von denen in der 5 beispielhaft nur eines gezeigt ist. Das Festwalzwerkzeug 14 ist in Richtung der Längsachse 3 der Drehstabfeder 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise verfahrbar und bearbeitet die Oberflächen der Drehstabfeder 1, während diese sich dreht.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
