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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle, die Vibrationen beim Betrieb minimiert.
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HINTERGRUND
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Eine Kurbelwelle wandelt lineare Bewegung eines Kolbens in Drehbewegung über eine Kurbelachse um, um das Drehmoment zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen, wie beispielsweise eines Zugs, eines Boots, eines Flugzeugs oder eines Automobils, ohne darauf beschränkt zu sein. Kurbelwellen sind ein wichtiger Bestandteil eines Motors und Startpunkt für Motorausführungen. Die Kurbelwellenausführung beeinflusst die gesamte Verpackung des Motors und dadurch die Gesamtmasse des Motors. Dementsprechend reduziert die Minimierung der Größe und/oder Masse der Kurbelwelle die Größe und Masse des Motors, was einen Kompoundierungseffekt auf die Baugröße, Masse und Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs hat.
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Die Kurbelwelle beinhaltet mindestens einen gegenüber der Kurbelwellenachse versetzten Kurbelzapfen, an den ein Hubkolben über eine Pleuelstange befestigt ist. Kraft die vom Kolben über die Offset-Verbindung zur Kurbelwelle übertragen wird, erzeugt zwischen diesen Drehmoment in der Kurbelwelle, was die Kurbelwelle um die Kurbelachse dreht. Die Kurbelwelle beinhaltet weiterhin mindestens einen konzentrisch angeordneten Hauptlagerzapfen um die Kurbelachse. Die Kurbelwelle wird an einem Motorblock des Hauptlagerzapfens befestigt. Ein Lager ist über dem Hauptlagerzapfen zwischen der Kurbelwelle und dem Motorblock angeordnet.
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Die Kurbelwelle wird typischerweise durch ein Gießverfahren gebildet oder hergestellt, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf ein Grünsandgießverfahren oder ein Schalenformgießverfahren, bei welchem Gusseisen zum Bilden der Kurbelwelle verwendet wird. Alternativ kann die Kurbelwelle aus einer Stahllegierung geschmiedet werden. Stahl ist stärker als Gusseisen und daher ein bevorzugtes Material für Kurbelwellen. Jedoch ist das Schmiedeverfahren kostspieliger als das Gießverfahren und die Bearbeitung von Stahl ist teurer.
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Im Allgemeinen führen herkömmliche Verfahren zum Herstellen und Auswuchten einer Kurbelwelle zu ziemlich kostspieligem Abfallmaterial und/oder zusätzlicher Masse, um die Kurbelwelle genau auszuwuchten. Das ungenaue Auswuchten der Kurbelwelle führt zu unerwünschten Vibrationen, wenn sich die Kurbelwelle im Betrieb dreht. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle mit Massenzentrierung in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Zunächst werden grobe Zentrierbohrungen eines Kurbelwellenrohlings durch Drehen des Kurbelwellenrohlings („Massenzentrierung“) identifiziert. Schritt 112. Danach werden unter Verwendung einer oder mehrerer Arten von Schneidvorrichtungen durch die Masse der in Schritt 114 verwendeten Bearbeitungslinie grobe Hauptzapfen und grobe Hubzapfen des Kurbelwellenrohlings mit Bezug auf die groben Zentrierbohrungen geschnitten. Anschließend wird das endgültige Auswuchten der Kurbelwelle unter Verwendung des Massenzentrierungs- oder geometrischen Zentrierverfahrens (durch Ändern der Arme/Gegengewichte, falls möglich) in Schritt 116 an einer Endauswuchtmaschine durch Bohren in die Außenflächen der Kurbelwelle korrigiert. Mit dem vorgenannten Verfahren wird jedoch eine hohe Ausschussrate erzielt, da es trotz umfassender Anstrengungen zur Modifizierung der Arme/Gegengewichte nicht möglich ist, die Kurbelwelle so auszuwuchten, dass die resultierende Vibration (die das Ungleichgewicht anzeigt) in akzeptable Grenzen fällt.
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Das oben erwähnte Problem des Auswuchtens von Kurbelwellen wird durch neue, leichtere Kurbelwellenkonstruktionen für ein verbessertes Motoransprechverhalten (geringere Rotationsträgheit) und einen verbesserten Kraftstoffeinsparung (keine unnötige Masse) weiter verschärft. Solche Kurbelwellenkonstruktionen weisen einen minimalen Zugang und erhöhten Einschränkungen zum Bohren von radialen Bohrungen in der vorgenannten Endauswuchtmaschine auf, wodurch eine separate Massenzentriermaschine erforderlich ist, bevor die anfängliche Bearbeitungsmitte die groben Zentrierungen bohrt. Traditionelle geometrische Zentrierung ist ein Verfahren, bei dem die Kurbelwelle auf den vorderen und hinteren (äußersten) Hauptzapfen festgeklemmt wird, um die Zentrierbohrungen zu bearbeiten. Jedoch ist der herkömmliche geometrische Zentrierungsverfahren nicht ausreichend, da er keine Mittel zum Einstellen der Zentrierung basierend auf der Vibrationsrückmeldung vom Endauswuchtvorgang bereitstellt. Wenn die Kurbelwelle nicht ausreichend ausgewuchtet ist (an der Endauswuchtmaschine treten unzulässige Vibrationen auf), hat das Kurbelwellenherstellungsverfahren eine hohe Ausschussrate und/oder eine längere Bearbeitungszykluszeit. In Anbetracht der Tatsache, dass der Zustand der Ungleichmäßigkeit der Dicke und der geometrischen Abweichungen eines Kurbelwellenrohlings dazu neigt, sich in Übereinstimmung mit dem Fertigungslos der Kurbelwellenrohlinge zu ändern, werden jedes Mal, wenn das Fertigungslos der Kurbelwellenrohlinge geändert wird, unvermeidlich Schrottprodukte hergestellt, was zu erhöhten Kosten und unnötigem Abfall führt. Unabhängig davon ist zu verstehen, dass es mehrere Verfahren zum primären Formen von Kurbelwellenrohlingen gibt, einschließlich Additivbearbeitung und anderer Verfahren. Rohteile können aus einer Vielzahl von meist eisenhaltigen Materialien wie Stahl und Sphäroguss oder anderen Materialien oder legierten Materialien wie Titan, Aluminium und Wolfram hergestellt werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Formverfahren beinhalten Schmieden mit einer einzigen Form/gießen einer halben Trennlinie, Schmieden und Verdrehen und Gießen durch eine Vielzahl von Verfahren, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Grünsand, Lost-Foam, Schalenform, permanente Form und Präzisionssand mit und ohne Kühlung.
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Darüber hinaus führt die Zeit, die mit dem Bewegen der Kurbelwelle zwischen mehreren Maschinen verbunden ist, zu erhöhten Kosten, zusätzlichen Kommunikationsanforderungen von Maschine zu Maschine und verringerter Effizienz. Daher besteht ein Bedarf an einem kostengünstigeren Verfahren zur Massenzentrierung oder - optimierung der Kurbelwelle im Endauswuchtvorgang, wodurch keine separate Maschine zum Messen der Unwucht (Trägheitsachse) des Kurbelwellenrohlings erforderlich ist.
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KURZDARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle bereit, um einen Bias-Effekt zu bestimmen, der aufgetreten sein kann, wenn der Kurbelwellenrohling anfänglich gebildet wurde, um die Zentrierbohrungen für die Kurbelwelle effizient und genau zu identifizieren, wodurch Materialabfall und unnötige Kosten reduziert werden. Eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beinhaltet die folgenden Schritte: (1) Formen eines Kurbelwellenrohlings über eine erste Hälfte oder Gusshälfte und eine zweite Hälfte oder Gusshälfte; (2) Messen einer Vielzahl von Flächenvariationen an vorbestimmten Flächen, die zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich des Kurbelwellenrohlings entsprechen; (3) Berechnen von „Zentrierversatzdaten“ basierend auf den gefundenen Unterschieden zwischen der Vielzahl von vorbestimmten Flächen („zur Abdeckung der Vielzahl von Flächenvariationen“); (4) Bearbeiten von Zentrierbohrungen basierend auf den Zentrierversatzdaten; (5) Bearbeitung einer Vielzahl von Zapfen, Montage-/Dichtungs-/Positionierungsflächen, Gegengewichten und Zapfen relativ zu den Zentrierbohrungen zur Herstellung einer bearbeiteten Kurbelwelle; und (6) ein Endauswuchtvorgang, der die bearbeitete Kurbelwelle typischerweise auf den äußersten Hauptzapfen dreht und (üblicherweise über radiale Bohrer) die Gegengewichte modifiziert, um die während der Drehung und des Motorbetriebs erzeugten Vibrationen zu minimieren.
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In der vorgenannten Ausführungsform der Offenbarung wird der erste Bereich der Kurbelwelle durch die erste Hälfte gebildet, während der zweite Bereich der Kurbelwelle durch die zweite Hälfte gebildet wird. Der erste Bereich ist einstückig mit dem zweiten Bereich an einer Trennlinie, die in dem Bereich angeordnet ist, in dem sich die erste Hälfte und die zweite Hälfte treffen. Obwohl es wünschenswert ist, dass die Trennlinie planar ist, wird im Fall von Dreizylindern, V6- und einigen V8-Zylindern das Rohteil verdreht, was zusätzliche Komplexität verleiht. Es versteht sich ferner, dass die Vielzahl der Flächenvariationen eine x-Achsenvariation, eine y-Achsenvariation, eine z-Achsenvariation und/oder eine Winkelvariation zwischen den ersten und zweiten Bereichen beinhalten kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Beim Messen der Vielzahl von Flächenvariationen an vorbestimmten Flächen sind die vorbestimmten Flächen vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise flache Flächen und sind auch vorzugsweise nicht notwendigerweise an den Armen oder Gegengewichten der Kurbelwelle angeordnet. Die Flächen und andere Teile der Kurbelwellenarme und -gegengewichte können bearbeitet werden, wenn die Hauptzapfen und Hubzapfen hergestellt werden. Dadurch bleiben einige Teile der Arme und Gegengewichte unbearbeitet. Die nach außen gerichteten radialen Flächen des Gegengewichts können bearbeitet (nach oben gerichtet) und die Flächen des Gegengewichts können bearbeitet (nach oben gerichtet) werden. Darüber hinaus weisen die unbearbeiteten Teile der Kurbelwellenarme im Allgemeinen flache Flächen mit komplementären Bereichen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich auf. Die vorgegebenen Flächen im ersten Bereich werden im Verhältnis zu entsprechenden vorgegebenen Flächen im zweiten Bereich gemessen. Die Messungen können optional über eine Vielzahl von Sonden durchgeführt werden, die Komponenten der Messschneidvorrichtung sind. Basierend auf der Vielzahl von Flächenvariationen, die zwischen den entsprechenden vorbestimmten Flächen identifiziert wurden, kann das Verfahren des Weiteren den Schritt des Berechnens von Zentrierversatzdaten beinhalten, die verwendet werden, um eine genaue, optimierte Zentrierbohrungsposition zu identifizieren, indem zuerst die „maschinell identifizierten Zentrierbohrungen“ unter Verwendung entweder eines geometrischen Zentriervorrichtungsdesigns oder eines seitlich positionierten Massenzentriervorrichtungsdesigns oder eines anderen Verfahrens ermittelt werden, und anschließend die Position der „maschinell identifizierten Zentrierbohrungen“, gemäß den gemessenen Variationen zumindest in der x-Achse, y-Achse, z-Achse und/oder in einer Winkelrichtung geändert werden.
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Es versteht sich ferner, dass der vorgenannte Schritt des Bearbeitens der Zentrierbohrungen anschließend die Schritte des Bearbeitens einer Kurbelwellenlänge, eines Schenkelendes und eines Flanschendes der Kurbelwelle über die gleiche Maschine (Messschneidvorrichtung) beinhalten kann, in der die Messschritte (Messung von Flächenvariationen) zuvor durchgeführt wurden. Dementsprechend, sobald die (Sonden-) Messungen abgeschlossen sind und dann die Bearbeitungsschritte in der Messschneidvorrichtung der ersten Maschine abgeschlossen sind, kann dementsprechend die Kurbelwelle nach anderen Bearbeitungsvorgängen auf eine Endauswuchtmaschine überführt werden, wobei die bearbeitete Kurbelwelle typischerweise dynamisch auf den äußersten Hauptzapfen gedreht werden kann, um unerwünschte Vibrationen zu identifizieren. Falls unerwünschte Vibrationen festgestellt werden, können die Gegengewichte in der bearbeiteten Kurbelwelle an der Endauswuchtmaschine modifiziert werden, um unerwünschte Vibrationen zu reduzieren oder zu beseitigen. Die Kurbelwellenzapfen können vor oder nach dem Endauswuchtvorgang poliert werden. Das vorgenannte Verfahren erfordert keine Korrektur der Kurbelwellenzentrierbohrungen durch einen Benutzer, da ein Massenvorspannungseffekt (Zentrierversatzdaten) für die Kurbelwelle berechnet wird, bevor Kurbelwellenzentrierbohrungen, Zapfen, Hauptzapfen und Gegengewichte bearbeitet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle die folgenden Schritte: (1) Bereitstellung eines Kurbelwellenrohlings, gebildet durch eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte; (2) Messen und Bearbeiten des Kurbelwellenrohlings in einer Messschneidvorrichtung zur Herstellung teilweise bearbeiteter (Längen- und grobe Zentrierungen) (3) Überführen der fertig bearbeiteten Kurbelwelle auf eine Endauswuchtmaschine; und (4) Drehen der fertigen maschinell bearbeiteten Kurbelwelle in der Endauswuchtmaschine und Modifizieren der Gegengewichte in der Endauswuchtmaschine, basierend auf einer Vibrationsdatenausgabe der Endauswuchtmaschine, um eine ausgewuchtete Kurbelwelle zu erzeugen. Die ausgewuchtete Kurbelwelle ist ein Kurbelwellenrohling, der ausgewuchtet ist (jegliche Vibrationen liegen innerhalb einer akzeptablen Grenze) und in dem die Zentrierbohrungen, Hubzapfen, Hauptzapfen und Gegengewichte maschinell bearbeitet wurden. Es versteht sich, dass die erste und zweite Hälfte entweder Formen oder Gusshälften sein können. So können beispielsweise Formen optional in einem Schmiedevorgang (erste Form und zweite Form) zum Bilden eines Kurbelwellenrohlings oder Gusshälften (erste Gusshälfte und zweite Gusshälfte) zum Bilden des Kurbelwellenrohlings implementiert werden. Es versteht sich, dass vor dem Transport der fertig bearbeiteten Kurbelwelle zur Endauswuchtmaschine die folgenden Zwischenschritte durchgeführt werden können: (a) Überführen der Kurbelwelle von der Messschneidmaschine zu mehreren Fräsmaschinen und grobes Schneiden von Gegengewichten, Hubzapfen und Hauptzapfen zum Erzeugen einer groben Kurbelwelle; und (b) anschließendes Schleifen der groben Kurbelwelle mit einer Vielzahl von Schleifmaschinen, um eine fertige bearbeitete Kurbelwelle zu erzeugen.
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In Bezug auf die vorstehende exemplarische Ausführungsform kann der Schritt des Messens und Bearbeitens des Kurbelwellenrohlings des Weiteren die folgenden Schritte beinhalten: (a) das Messen einer Variation zwischen einer vorbestimmten Fläche im ersten Bereich und einer entsprechenden vorbestimmten Fläche im zweiten Bereich; (b) Berechnen von Zentrierversatzdaten basierend auf der Vielzahl von Flächenvariationen zwischen den identifizierten vorbestimmten Flächen; und (c) Bearbeiten von Zentrierbohrungen basierend auf den Zentrierversatzdaten. Ähnlich der ersten Ausführungsform versteht es sich, dass der erste Bereich durch die erste Hälfte oder die Gusshälfte gebildet wird und der zweite Bereich durch die zweite Hälfte oder Gusshälfte gebildet wird, worin der erste Bereich an einer Trennlinie einstückig mit dem zweiten Bereich ist. Darüber hinaus erzeugt der Schritt des Messens der Variation zwischen den vorbestimmten Flächen einen Datenmesssatz (in Form von Zentrierversatzdaten), der den beeinflussenden Effekt von unbearbeiteten Flächen des Kurbelwellenrohlings anzeigt. Die Zentrierversatzdaten beinhalten eine x-Achsenvariation, eine y-Achsenvariation und/oder eine Winkelvariation, wobei jeder Wert negativ, positiv oder null sein kann. Wenn darüber hinaus die Zentrierversatzdaten berechnet werden, versteht es sich, dass die Zentrierversatzdaten verwendet werden, um die Zentrierbohrungspositionen für die Kurbelwelle über die folgenden Schritte genau zu identifizieren: die „maschinell identifizierte Zentrierbohrung“ zu lokalisieren und dann die Position der „maschinell identifizierten Zentrierbohrung“ durch die x-Achsenvariation, die y-Achsenvariation, die z-Achsenvariation und/oder die Winkelvariation zu modifizieren. Der Schritt des Bearbeitens der Zentrierbohrungen beinhaltet ferner die nachfolgenden Schritte der Bearbeitung einer Kurbelwellenlänge, eines Schenkelendes und eines Flanschendes der Kurbelwelle in Bereichen relativ zu den bearbeiteten Zentrierbohrungen.
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Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden.
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Figurenliste
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem besten Modus, den Ansprüchen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich:
- 1 ist ein Flussdiagramm, das ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle veranschaulicht.
- 2 ist ein Flussdiagramm, das ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
- 3 ist eine schematische Darstellung der Maschinen, die in Verbindung mit dem in 2 und 6 dargestellten Verfahren implementiert sind.
- 4A ist eine isometrische Ansicht eines Kurbelwellenrohlings für einen Vierzylindermotor, wobei der zweite Bereich in der vorderen Position gezeigt ist, zusammen mit exemplarischen, nicht einschränkenden vorbestimmten Messflächen, die gemäß der vorliegenden Offenbarung identifiziert wurden.
- 4B ist eine isometrische Ansicht des Kurbelwellenrohlings in 4A für einen Vierzylindermotor, wobei der erste Bereich in der vorderen Position gezeigt ist, zusammen mit exemplarischen entsprechende Messflächen, die gemäß der vorliegenden Offenbarung identifiziert wurden. Zusammen zeigen 4A und 4B die beiden Seiten des Teils.
- 4C ist eine isometrische Ansicht eines Kurbelwellenrohlings für einen Dreizylindermotor mit einem dritten Satz vorbestimmter Messflächen, die gemäß der vorliegenden Offenbarung identifiziert wurden.
- 5A veranschaulicht eine schematische Seitenansicht einer der Kurbelwellen in den 4A-4C.
- 5B veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht des Zentrierbohrungs-/Hauptzapfenbereichs, worin die Ergebnisse der Zentrierversatzdaten in Bezug auf die von der Maschine identifizierten Zentrierbohrungen und die Kurbelwellen-Zentrierbohrungen dargestellt sind.
- 6 ist ein Flussdiagramm, das ein anderes verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der vorliegenden Offenbarung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die vorliegende Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für jegliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder dienen nur als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
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Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle nummerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- und/oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitestmöglichen Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen nummerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner gilt, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien geeignet oder bevorzugt für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, bedeutet dass Mischungen von zwei oder mehreren Elementen der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und es wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft anhand derselben Technik bestimmt, wie es vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
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Es versteht sich ferner, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralverweise umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
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Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
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Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
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Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.
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Offenbarungen der Veröffentlichungen, auf die in dieser Anwendung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme in vollem Umfang in diese Anwendung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich dies vorliegende Offenbarung bezieht, genauer zu beschreiben.
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Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung oder die Anwendung oder Verwendungen der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 3 wird eine Ausführungsform eines kostengünstigen und effizienten Verfahrens zur Herstellung einer Kurbelwelle in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Das Herstellungsverfahren 10 umfasst die folgenden Schritte: (1) Bilden eines Kurbelwellenrohlings 24 über eine erste Form oder Gusshälfte (Hohlraum) 42 und eine zweite Form oder Gusshälfte (Hohlraum) 46; (Schritt 12) (2) Messen einer Vielzahl von Flächenvariationen 86, 88, 90 (5B) zwischen entsprechenden vorbestimmten Flächen 48, 50 in einem ersten Bereich 40 und einem zweiten Bereich 44 des Kurbelwellenrohlings 24; (Schritt 14) (3) Verwendung der Messung (aus Schritt 14) zur Berechnung ihres effektiven Ergebnisses durch Berechnen der Zentrierversatzdaten 84 basierend auf der Vielzahl von Flächenvariationen 86, 88, 90; (Schritt 16) (4) Maschinelles Herstellen der Zentrierbohrungen 62 in dem Kurbelwellenrohling 24 basierend auf den Zentrierversatzdaten 84; (Schritt 18) (5) Maschinelles Herstellen eines Gegengewichts und eines Zapfens relativ zu den Zentrierbohrungen 62 zur Herstellung einer teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96; (Schritt 20) und (6) Drehen der teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96 um die Zentrierbohrungen 62 und Modifizieren der Gegengewichte 72 zur Minimierung der während der Drehung erzeugten Vibrationen. (Schritt 22)
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In Bezug auf die vorgenannte Ausführungsform und die nachfolgenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Kurbelwellenrohling 24 in einer festen Position (nicht gedreht) in einer Messschneidmaschine 80 gehalten werden, während der Kurbelwellenrohling 24 gemessen und bearbeitet wird. Darüber hinaus versteht es sich, dass der Messschritt (Schritt 14) für jeden einzelnen Kurbelwellenrohling durchgeführt werden kann, oder der Messschritt (identifiziert in Schritt 14) für eine Menge (Gruppe) von Kurbelwellenrohlingen (unter Verwendung der Durchschnittsmessungen als ein nicht einschränkendes Beispiel) durchgeführt werden kann, die aus einer bestimmten ersten und zweiten Hälfte gebildet werden. Es versteht sich auch, dass bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die Messflächen auch optional auf einer maschinell bearbeiteten Fläche, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf einen Zapfen oder ein Gegengewicht oder auf eine zu bearbeitende Fläche, angeordnet werden können. Darüber hinaus können die in der vorliegenden Offenbarung offenbarten Messschritte optional eine Kontaktmessung (beispielsweise über LVDT-Sonden) oder alternativ eine berührungslose Messung, wie beispielsweise Abtastung oder Verwendung induktiver Sonden, beinhalten. Außerdem können die in der vorliegenden Offenbarung offenbarten Messschritte optional (alternativ) außerhalb der „Messschneidmaschine“ oder der Schneidmaschine durchgeführt werden - beispielsweise wenn eine Kurbelwelle für einen V6-Motor hergestellt wird.
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Unter Bezugnahme auf die 4A-4B sind die ersten und zweiten Bereiche 40, 44 eines Kurbelwellenrohlings 24 dargestellt. In 4A ist es daher möglich, beim Ausführen der Messschritte nur vier Messsonden 25 zu verwenden, wenn keine Neigung im Kurbelwellenrohling 24 für einen Vierzylindermotor erkannt wird. (Siehe Schritt 14). Wenn jedoch eine Neigung (Drehung um X-Achse) im Kurbelwellenrohling 24 für einen Vierzylindermotor erfasst wird, und das Verfahren 10 der vorliegenden Offenbarung zusätzliche Messsonden 25 erfordern kann (siehe 4A-4B), worin diese vier Sonden 25 jegliche Winkelunterschiede zwischen der vorbestimmten Fläche 48 im ersten Bereich 40 und der entsprechenden vorbestimmten Fläche 50 im zweiten Bereich 44 bestimmen. In 4C ist ein Kurbelwellenrohling 24 für einen Dreizylindermotor dargestellt, bei dem der mittlere Abschnitt 52 des heißen Kurbelwellenrohlings 24 unmittelbar beim Entfernen des Kurbelwellenrohlings 24 aus der ersten und zweiten Form oder der gegossenen Hälften 42, 46 um etwa 120 Grad verdreht wird. Daher werden in Bezug auf den Kurbelwellenrohling 24 im nicht einschränkenden Beispiel von 4C sechs Messsonden 26 und 27 verwendet, um die Messschritte auszuführen, worin die Messungen bestimmen, ob eine Winkelvariation 90 zwischen den ersten und zweiten Bereichen 40, 44 vorhanden ist. Zusätzlich messen vier weitere Sonden 25 die Neigung im ersten und zweiten Bereich vor dem Verdrehschritt.
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Unabhängig von der Anzahl der verwendeten Messsonden 25 und 26 wird der erste Bereich 40 des Kurbelwellenrohlings 24 durch die erste Form oder Gusshälfte 42 gebildet, während der zweite Bereich 44 des Kurbelwellenrohlings 24 durch die zweite Form oder Gusshälfte 46 gebildet wird, wie in den 4A-4C dargestellt. Der erste Bereich 40 ist an einer Trennlinie 54 einstückig mit dem zweiten Bereich 44. Die Trennlinie 54 zeigt auch an, wo der erste Bereich 40 auf den zweiten Bereich 44 trifft. Wie in dem in 4 dargestellten Beispiel dargestellt, sind die Arme 56 der Kurbelwelle in den schraffierten Bereichen 64 dargestellt. Es versteht sich, dass in dem bereitgestellten Beispiel die Arme 56 der Kurbelwelle während des Herstellungsprozesses keiner Bearbeitung unterzogen werden, und daher veranschaulichen die schraffierten Bereiche 64 auch grobe Flächen 58, die keiner Bearbeitung unterzogen wurden. Es versteht sich jedoch, dass andere Kurbelwellenrohlinge 24 in einigen, aber nicht alle Flächen für die Arme 56 des Kurbelwellenrohlings 24 bearbeitet werden können.
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Daher versteht sich in Bezug auf den Schritt des Messens einer Vielzahl von Flächenvariationen 86, 88, 89, 90, dass mindestens eine x-Achsenvariation 86, eine y-Achsenvariation 88, z-Achsenvariation 89 und/oder Winkelvariation 90 an entsprechenden Punkten gemessen werden kann, die von jedem der ersten und zweiten Bereiche 40, 44 gemessen werden, worin: (1) die vorgegebene Fläche 47 in einen groben Flächenbereich 58 liegt; und (2) die vorbestimmte Fläche 47 eine flache Fläche ist, wie sie in den 4A-4C dargestellt ist. Es versteht sich, dass die entsprechenden Punkte Flächenstellen (die sich gegenseitig über die Trennlinie 54 spiegeln) auf jedem der ersten und zweiten Bereiche 40, 44 sind, wie in den 4A-4C dargestellt. Unter Bezugnahme auf 2, basierend auf der Vielzahl von Flächenvariationen 86, 88, 90, die zwischen entsprechenden vorbestimmten Flächen 47 gemessen werden, kann das Verfahren ferner den Schritt des Berechnens von Zentrierversatzdaten 84 beinhalten, die verwendet werden, um eine Zentrierbohrungsposition 92 genau zu identifizieren. Um ein Paar von Zentrierbohrungspositionen 62 genau zu identifizieren, zeigt das Verfahren der vorliegenden Offenbarung an, dass die „maschinell identifizierten Zentrierbohrungen“ 60 zunächst durch die Klemme oder Haltestruktur der Messschneidvorrichtung 80 positioniert werden und dann die Position der „maschinell identifizierten Zentrierbohrung“ 60 durch die berechnete/gemessene x-Achsenvariation 86, die y-Achsenvariation 88 und/oder die Winkelvariation 90 modifiziert wird, um die Position für die Kurbelwellen-Zentrierbohrungsposition 62 genau zu identifizieren. Es versteht sich, dass die x-Achsenvariation 86, die y-Achsenvariation 88 und/oder die Winkelvariation 90 eine positive Zahl, eine negative Zahl oder Null sein können. Darüber hinaus werden die Zentrierversatzdaten 84 an einem Steuermodul 94 für die Messschneidvorrichtung 80 berechnet. Die Positionen der „maschinell identifizierten Zentrierbohrungen“ werden durch Verwenden der Positionen der Klammern der Messschneidvorrichtung 80 identifiziert, die verwendet werden, um den Hauptzapfen des Kurbelwellenrohlings 24 zu halten/befestigen. Wie angegeben, werden die x-Achsenvariation 86, die y-Achsenvariation 88 und/oder die Winkelvariation 90 dann gegen die Positionen der „maschinell identifizierten Zentrierbohrungen 62“ verwendet, um die Positionen für das Paar von Kurbelwellen-Zentrierbohrungen 62 genau zu identifizieren und zu bearbeiten. Durch Anpassen der Position für das Paar von Zentrierbohrungen 62 mit der x-Achsenvariation 86, der y-Achsenvariation 88 und/oder der Winkelvariation 90 wird der beim Schmiede-/Gussverfahren erzeugte beeinflussende Effekt (oder die Beeinflussung der Materialmasse) aufgelöst, sodass die Beeinflussung der Materialmasse keine unerwünschte Vibrationen mehr verursacht.
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Es versteht sich ferner, dass der vorgenannte Schritt des Bearbeitens des Paares von Zentrierbohrungen 62 (und der entsprechenden Achsenbohrung 63) ferner die nachfolgenden Schritte der Bearbeitung einer Kurbelwellenlänge 66, eines Schenkelendes 68, eines Flanschendes 70 der Kurbelwelle, möglicher axialer Flächen (nach oben gerichtet) von Armen und Gegengewichten 72, Hubzapfen 74 und Hauptzapfen 76 im Verhältnis zu den bereits teilweise bearbeiteten Zentrierbohrungen 62 der Kurbelwelle 96 beinhaltet. Wie in 3 dargestellt, kann die gleiche Maschine („Messschneidvorrichtung 80“) verwendet werden, um alle vorgenannten Messschritte und Bearbeitungsschritte auszuführen. Dementsprechend kann, sobald alle Mess- und Bearbeitungsschritte in der Messschneidvorrichtung 80 (3) abgeschlossen sind, die teilweise bearbeitete Kurbelwelle 96 anschließend zu anderen Maschinen und dann zu einer Endauswuchtmaschine 82 überführt werden, in der die teilweise bearbeitete Kurbelwelle 96 dann typischerweise dynamisch auf den äußersten Hauptzapfen 75 um Zentrierbohrungen 62 gedreht werden kann, um unerwünschte Vibrationen zu identifizieren, die außerhalb eines akzeptablen Bereichs liegen können. Falls unerwünschte Vibrationen identifiziert werden, können die Gegengewichte 72 in der teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96 in bestimmten Bereichen (wie an den Gegengewichten) an der Endauswuchtmaschine 82 (3) modifiziert werden, um unerwünschte Vibrationen zu reduzieren oder zu beseitigen. Sobald die Kurbelwelle modifiziert ist, um die unerwünschte Vibration zu eliminieren, wird die Kurbelwelle in Form einer ausgewuchteten Kurbelwelle 98 bereitgestellt. Wie demonstriert, ermöglicht das exemplarische nicht einschränkende Verfahren der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren, bei dem die Zentrierbohrungen 62 nicht gebohrt und dann erneut gebohrt oder korrigiert werden müssen. Vielmehr ermöglicht die vorliegende Offenbarung einem Benutzer, das Paar von Zentrierbohrungen 62 (und die entsprechende Achsenbohrung 63) am vorderen Ende des Verfahrens in einem einzigen Vorgang (anstelle von iterativen Operationen) genau zu identifizieren und zu bearbeiten. Darüber hinaus ermöglichen die vorgenannten Verfahren der vorliegenden Offenbarung dem Benutzer auch, die Zentrierbohrungen 62 der Kurbelwelle genau zu identifizieren und dann zu bohren, ohne die Kurbelwelle in einer kostspieligen Maschine dynamisch zu drehen. Das heißt, die Verwendung teurer Maschinen, die die Kurbelwelle dynamisch drehen, wird reduziert, wodurch Kosten für sowie der Verschleiß dieser Maschinen und die Integrationskosten mit dem Rest der Bearbeitungslinie gesenkt werden.
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Unter jetziger Bezugnahme auf die 3 und 5 wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der eine Kurbelwelle hergestellt wird, gezeigt. Dieses in 6 gezeigte exemplarische, nicht einschränkende Verfahren 28 beinhaltet die folgenden Schritte: (1) Bereitstellung eines Kurbelwellenrohlings 24, gebildet durch eine erste Form oder Gusshälfte (Hohlraum) 42 und eine zweite Form oder Gusshälfte (Hohlraum) 46; Schritt 30 in 6, siehe auch 4A und 4B; (2) Messen und Bearbeiten des Kurbelwellenrohlings 24 in einer Messschneidvorrichtung 80 zur Herstellung einer teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96; Schritt 32 in 6, siehe auch 3; (3) Überführen der teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96 von der Messschneidvorrichtung 80 an eine Endauswuchtmaschine 82; Schritt 34 in 6; siehe auch 3, und (4) Drehen der teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96 in der Endauswuchtmaschine 82, um die Gegengewichte 72 in der Endauswuchtmaschine 82 zu modifizieren (basierend auf einer Vibrationsdatenausgabe von der teilweise bearbeiteten Kurbelwelle 96), um eine fertige und ausgewuchtete Kurbelwelle 98 zu erzeugen. Schritt 36 in 6; siehe auch 3 und 4A-4C.
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In Bezug auf die vorstehende exemplarische Ausführungsform kann der Schritt des Messens der Messung und Bearbeitung des Kurbelwellenrohling 24 (Schritt 32 in 6) des Weiteren die folgenden Schritte beinhalten: (a) Messen einer Vielzahl von Flächenvariationen 86, 88, 90 zwischen einer vorbestimmten Fläche 47, 48 im ersten Bereich 40 und einer entsprechenden vorbestimmten Fläche 47, 50 im zweiten Bereich 44; (b) Berechnen von Zentrierversatzdaten 84 („der beeinflussende Effekt“ 84 oder „Datenmesssatz“ 84) basierend auf der Vielzahl von Flächenvariationen 86, 88, 90 (über ein Berechnungsmodell 93 im Steuermodul der Messschneidmaschine); und (c) Bearbeiten der Zentrierbohrungen 62 basierend auf den Zentrierversatzdaten 84. Ähnlich der ersten Ausführungsform versteht es sich, dass der erste Bereich 40 des Kurbelwellenrohlings 24 durch die erste Hälfte 42 (Form oder Gusshälfte) und der zweite Bereich 44 des Kurbelwellenrohlings 24 durch die zweite Hälfte 46 (Form oder Gusshälfte) gebildet wird, worin der erste Bereich 40 an einer Trennlinie 54 einstückig mit dem zweiten Bereich 44 ist. Ähnlich der ersten Ausführungsform versteht sich, dass exemplarische Paare von vorbestimmten Flächen 29' und 29", 31' und 31", 47' und 47" der 4A, 4B und 4C auf Paare von entsprechenden vorbestimmten Flächen der ersten und zweiten Bereiche 40, 44 verweisen. Zusätzlich werden die Messsonden 25' und 25", 26' und 26", 27' und 27" auch über die Trennlinie 54 gepaart. Darüber hinaus erzeugt der Schritt des Messens der Variation einen Datenmesssatz 84 („Zentrierversatzdaten 84“) mit einer oder mehreren einer x-Achsenvariation 86, einer y-Achsenvariation 88, einer z-Achsenvariation 89 und/oder einer Winkelvariation 90. Wenn die Zentrierversatzdaten 84 an einem Steuermodul 94 über ein Berechnungsmodell 93 in einem Steuermodul 94 (3) der Messschneidvorrichtung 80 berechnet werden, versteht es sich daher, dass das Paar von Zentrierbohrungen 62 genau durch Ausführen der folgenden Schritte identifiziert wird: das Anordnen der „maschinell identifizierten Zentrierbohrung“ basierend auf der Position der Befestigungsklammern, die für die äußersten Hauptzapfen 75 des Kurbelwellenrohlings 24 verwendet werden, und das anschließende Modifizieren der Positionen der „maschinell identifizierten Zentrierbohrung“ basierend auf einer beliebigen Kombination der x-Achsenvariation 86, der y-Achsenvariation 88, der z-Achsenvariation 89 und/oder der Winkelvariation 90, um die Korrekturpositionen für das Paar von Zentrierbohrungen 62 genau zu identifizieren. Wie zuvor angegeben, wird, durch Einstellen der Position für das Paar von Zentrierbohrungen 62 mit Daten 84, die sich auf eine Kombination der x-Achsenvariation 86, der y-Achsenvariation 88, der z-Achsenvariation 89 und/oder der Winkelvariation 90 beziehen, der im Schmiede-/Gussverfahren gebildete unbeabsichtigte beeinflussende Effekt (oder Beeinflussung der Materialmasse) aufgelöst, sodass die unbeabsichtigte Beeinflussung der Materialmasse durch das Schmiede-/Gussverfahren des Kurbelwellenrohlings 24 keine unerwünschten Vibrationen oder übermäßige Ausschusstraten aus der unzureichenden Hüllkurve der Auswuchtbohrung verursacht.
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Sobald die Zentrierbohrungspositionen 62 genau identifiziert sind, werden die Zentrierbohrungen 62 in den äußersten Hauptzapfen 75 des Kurbelwellenrohlings 24 eingearbeitet, und dann formt die Messschneidvorrichtung 80, basierend auf den bereits bearbeiteten Zentrierbohrungen 62, die Kurbelwellenlänge 66, ein Schenkelende 68, ein Flanschende 70 der Kurbelwelle, die Hubzapfen 74 und die Hauptzapfen 76oder stellt diese maschinell her. Wie angegeben, wird die teilweise bearbeitete Kurbelwelle 96 sobald die Verfahrensschritte an der Messschneidvorrichtung 80 abgeschlossen sind, von der Messschneidvorrichtung 80 zu einer Vielzahl von Maschinen zum Fräsen und Schleifen der Kurbelwelle überführt. Sobald das Fräsen und Schleifen der Kurbelwelle abgeschlossen ist, wird eine fertige bearbeitete Kurbelwelle (Element 95 in 3) erzeugt und dann an die Endauswuchtmaschine 82 überführt (siehe 3). Die fertige bearbeitete Kurbelwelle wird dynamisch an der Endauswuchtmaschine 82 gedreht, um etwaige Vibrationen zu messen. Wenn die gemessene Vibration außerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, können die Gegengewichte 72 über die Auswuchtmaschine modifiziert werden, sodass unerwünschte Vibrationen beseitigt werden (oder die resultierende Vibration in einen annehmbaren Bereich fällt).
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Daher beinhaltet ein kostengünstiges und effizientes Verfahren 28 zur Herstellung einer Kurbelwelle unter erneuter Bezugnahme auf 6 die folgenden Schritte: (1) Bereitstellung eines Kurbelwellenrohlings, gebildet durch eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte; Schritt 30. (2) Messen und Bearbeiten des Kurbelwellenrohlings in einer Messschneidvorrichtung, zum Herstellen teilweise maschinell bearbeiteter (Längen und grober Zentrierungen); Schritt 32 (3) Überführen der bearbeiteten Kurbelwelle von der Messschneidvorrichtung zu mindestens einer Fräsmaschine 81 und einer Schleifmaschine 83 zur Herstellung einer fertige bearbeiteten Kurbelwelle (Element 95 in 3) (siehe Element 95 in 3); Schritt 33 in 6. (4) Überführen der fertig bearbeiteten Kurbelwelle (Element 95 in 3) in eine Endauswuchtmaschine; Schritt 34 und (5) Drehen der fertig bearbeiteten Kurbelwelle (Element 95 in 3) in der Endauswuchtmaschine und Modifizieren der Gegengewichte in der Endauswuchtmaschine basierend auf einer Vibrationsdatenausgabe der Endauswuchtmaschine, um eine ausgewuchtete Kurbelwelle zu erzeugen. Schritt 36. Es versteht sich, dass die ausgewuchtete Kurbelwelle ein Kurbelwellenrohling ist, der ausgewuchtet wurde (jegliche Vibrationen liegen innerhalb einer akzeptablen Grenze) und in dem die Zentrierbohrungen, Hubzapfen, Hauptzapfen und Gegengewichte maschinell bearbeitet wurden.
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Es versteht sich, dass die erste und zweite Hälfte entweder Formen oder Gusshälften sein können. So können beispielsweise Formen optional in einem Schmiedevorgang (erste Form und zweite Form) zum Bilden eines Kurbelwellenrohlings oder Gusshälften (erste Gusshälfte und zweite Gusshälfte) zum Bilden des Kurbelwellenrohlings implementiert werden. Es versteht sich, dass vor dem Transport der fertig bearbeiteten Kurbelwelle (Element 95 in 3) zur Endauswuchtmaschine die folgenden Zwischenschritte durchgeführt werden können: (a) Überführen der Kurbelwelle von der Messschneidmaschine zu mehreren Fräsmaschinen und grobes Schneiden von Gegengewichten, Hubzapfen und Hauptzapfen zum Erzeugen einer groben Kurbelwelle; und (b) anschließendes Schleifen der groben Kurbelwelle mit einer Vielzahl von Schleifmaschinen, um eine fertige bearbeitete Kurbelwelle zu erzeugen (Element 95 in 3).
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Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.
