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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von härteverzugsoptimierten Kurbelwellen zumindest einer Kurbelwellenvariante.
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Es gibt Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, bei denen jeweilige als Pleuellager dienende Hubzapfen einer Kurbelwelle bezogen auf die axiale Richtung der Kurbelwelle relativ lang beziehungsweise breit ausgebildet werden müssen. Dies kann insbesondere bei V-Motoren erforderlich sein, ebenso beispielsweise bei unterschiedlichsten Zusatzmechanismen, welche breitere beziehungsweise längere Hubzapfen erfordern, z.B. bei Verbrennungsmotoren mit einer variablen Verdichtung.
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Vor allem bei derartigen Kurbelwellen mit relativ breiten beziehungsweise langen Hubzapfen führen thermisch bedingte Härteverzüge oftmals zur Notwendigkeit, einen an die jeweiligen Hubzapfen angrenzenden Absatz in axialer Richtung der Kurbelwelle relativ breit zu gestalten, sodass eine finale Schleif- und/oder Finishbearbeitung der jeweiligen Hubzapfen überhaupt problemlos ermöglicht werden kann. Bauraumbedingt kann dies insbesondere dazu führen, dass sich an die Hubzapfen anschließende Kurbelwellenwangen relativ schmal ausgeführt werden müssen. Dies kann zu erhöhten Schwierigkeiten bei der Steifigkeit, Festigkeit und Gegengewichtsdicke der jeweiligen Kurbelwellenwangen führen. Eine verringerte Gegengewichtsdicke kann unter anderem zu Wuchtproblemen führen.
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Die
DE 10 2004 042 707 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle, welches die Problematik der beim thermischen Härten auftretenden Härteverzüge adressiert. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, Übergangsbereiche zwischen Hubzapfen und Kurbelwellenwangen zumindest abschnittsweise thermisch zu härten und danach in einem weiteren Prozessschritt andere Übergangsbereiche zwischen den Hubzapfen und Kurbelwellenwangen einer Rollhärtung zu unterziehen. Prozessbegleitend mit dem Rollhärten soll ein Richten der Kurbelwelle erfolgen.
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Aus der
DE 10 2009 057 390 A1 ist ein Verfahren zum Härten eines Bauteils bekannt, bei welchem das Bauteil mittels eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder dergleichen zumindest lokal in einem Härtebereich in Abhängigkeit von Prozessparametern gehärtet wird. Hierbei wird wenigstens ein Prozessparameter des Verfahrens in Abhängigkeit eines vorab ermittelten Belastungsparameters des Bauteils im Betrieb variabel in dem Härtebereich eingestellt.
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Weiterhin ist aus der
DE 102 61 710 A1 ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Welle bekannt. Bei dem Verfahren wird in einem Härteprozess mittels eines von einer Energiequelle abgegebenen energiereichen Strahls, insbesondere einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl, zumindest abschnittsweise durch einen gleichmäßigen Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes eine Oberflächenhärtung der Welle durchgeführt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher beim thermischen Härten von Kurbelwellen auftretende Härteverzüge besonders einfach minimiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen von härteverzugsoptimierten Kurbelwellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Unteransprüchen und in der Figur angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von härteverzugsoptimierten Kurbelwellen zumindest einer Kurbelwellenvariante wird eine härteverzugsoptimierte Formgebung für einen Kurbelwellenrohling der Kurbelwellenvariante ermittelt. Dies geschieht, indem ein beim thermischen Härten im Bereich jeweiliger Hubzapfen des Kurbelwellenrohlings auftretender Härteverzug ermittelt wird. Zumindest für jeweilige an die Hubzapfen angrenzende Kurbelwellenwangen des Kurbelwellenrohlings wird eine Formgebung ermittelt, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise kompensiert. Insbesondere wird eine derartige Formgebung ermittelt, die den ermittelten Härteverzug zumindest im Wesentlichen vollständig kompensiert. Unter den besagten Hubzapfen sind die jeweiligen Pleuellager der Kurbelwelle beziehungsweise des Kurbelwellenrohlings zu verstehen. Unter Kurbelwellenrohling ist hier und im Folgenden das urgeformte und gegebenenfalls teilweise vorbearbeitete Bauteil zu verstehen.
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Unter der Kurbelwellenvariante sind sämtliche Kurbelwellen zu verstehen, die z.B. die gleichen Maße aufweisen und mit den gleichen Parametern thermisch gehärtet werden. Insofern verhalten sich die zu dieser Kurbelwellenvariante gehörenden Kurbelwellenrohlinge hinsichtlich der auftretenden Härteverzüge auch zumindest im Wesentlichen identisch. Sobald die passende Formgebung gefunden wurde, kann diese bei allen weiteren Kurbelwellenrohlingen verwendet werden, um die Härteverzüge zu minimieren. Die Ermittlung der zur Kompensation der Härteverzüge dienenden Formgebung muss also je Kurbelwellenvariante nur einmal erfolgen. Lediglich zu Kontrollzwecken oder bei Änderungen z.B. des Schmiedewerkzeugs oder der Materialcharge muss dieser Vorgang wiederholt werden.
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Nachdem für die Kurbelwellenwangen die Formgebung ermittelt wurde, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise kompensiert, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollständig kompensiert, werden die Kurbelwellen der zumindest einen Kurbelwellenvariante hergestellt, indem je herzustellender Kurbelwelle ein die erforderliche Formgebung aufweisender Kurbelwellenrohling hergestellt wird, wonach dieser zumindest im Bereich seiner Hupzapfen thermisch gehärtet und unter Ausbildung der betreffenden Kurbelwelle fertigbearbeitet wird.
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Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, eine Formgebung der jeweiligen Kurbelwellenwangen hin zu den jeweiligen Hubzapfen zu ermitteln, durch welche die üblicherweise systematisch auftretenden Härteverzüge kompensiert werden. Dadurch können in axialer Richtung an die jeweiligen Hubzapfen angrenzende Absätze, welche zu den Kurbelwellenwangen gehören können oder auch nicht, hinsichtlich ihrer Breite bezogen auf die Axialrichtung der Kurbelwellen minimiert werden. Denn dadurch, dass die Kurbelwellenrohlinge besagte erforderliche Formgebung aufweisen, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise oder vorzugsweise vollständig kompensieren, treten nach dem thermischen Härten geringe oder keine Härteverzüge insbesondere im Bereich der jeweiligen Hubzapfen auf.
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Im Bereich der jeweiligen Hubzapfen ist also nach dem thermischen Härten der Kurbelwellenrohlinge keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung erforderlich, um Härteverzüge zu beseitigen. Folglich können besagte Absätze schmaler gestaltet werden, sodass die Kurbelwellenwangen wiederum bezogen auf die axiale Richtung der jeweiligen Kurbelwellen entsprechend breiter gestaltet werden können, ohne die Maße der Kurbelwellen in axialer Richtung zu verändern. Bei gleichem Bauraumbedarf der so hergestellten Kurbelwellen können somit die Kurbelwellenwangen eine besonders große Steifigkeit, Festigkeit und Gegengewichtsdicke aufweisen.
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Unter der ermittelten Formgebung, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig kompensiert, ist mit anderen Worten eine Geometrieabweichung der Kurbelwellenwangen von einer vorgegebenen Endgeometrie zu verstehen, welche dafür sorgt, dass nach dem thermischen Härten der jeweiligen Kurbelwellenrohlinge ein ansonsten auftretender Härteverzug minimiert werden kann. Nach dem thermischen Härten ansonsten auftretende Maß- und/oder Formungenauigkeiten insbesondere im Bereich der jeweiligen Hubzapfen können durch die erfindungsgemäße Lösung also minimiert werden.
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Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ermitteln der härteverzugsoptimierten Formgebung mittels Versuchen, also auf Basis von Experimenten erfolgt. Für die zumindest eine Kurbelwellenvariante können also beispielsweise Versuchsreihen durchgeführt werden, bei welchen jeweilige Kurbelwellenrohlinge insbesondere im Bereich ihrer Hubzapfen thermisch gehärtet werden, wonach ein jeweils auftretender Härteverzug ermittelt wird. Danach kann die Formgebung der Kurbelwellenwangen iterativ so lange variiert werden, bis eine härteverzugsoptimierte Formgebung gefunden wurde, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise, insbesondere vollständig kompensiert. Wurde die passende Formgebung einmal für eine bestimmte Kurbelwellenvariante gefunden, so können sämtliche Kurbelwellenrohlinge gemäß dieser Formgebung hergestellt werden, um basierend auf diesen angepassten Kurbelwellenrohlingen die betreffenden Kurbelwellen der Kurbelwellenvariante herzustellen.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ermitteln der härteverzugsoptimierten Formgebung mittels Simulationen erfolgt. Alternativ oder zusätzlich zur Durchführung von Versuchen ist es also möglich, Simulationen vorzunehmen, um zu erwartende beziehungsweise auftretende Härteverzüge aufgrund von thermischen Härtevorgängen an jeweiligen digitalen bzw. virtuellen Modellen von Kurbelwellenrohlingen zu ermitteln. Die Formgebung der Kurbelwellenwangen kann solange variiert werden, bis eine Formgebung gefunden wurde, die den durch Simulation ermittelten Härteverzug zumindest teilweise oder auch vollständig kompensiert. Beispielsweise können FEM-Simulationen durchgeführt werden, um die härteverzugsoptimierte Formgebung zu ermitteln. Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise liegt darin, dass relativ wenige oder gar keine realen Versuche erforderlich sind, um die härteverzugsoptimierte Formgebung zu ermitteln. Auch können reale Versuche und Simulationen miteinander kombiniert werden, um so besonders schnell zur passenden Formgebung zu gelangen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die den Härteverzug zumindest teilweise kompensierende ermittelte Formgebung eine Schrägstellung der Kurbelwellenwangen gegenüber der radialen Richtung der Kurbelwellenrohlinge umfasst. Die ermittelte Formgebung kann also vorsehen, dass die Kurbelwellenwangen gegenüber einer vorgegebenen Endgeometrie der herzustellenden Kurbelwellen schräg gegenüber der radialen Richtung der Kurbelwellenrohlinge beziehungsweise der Kurbelwellen angestellt sind. Dies kann dazu führen, dass ansonsten auftretende Härteverzüge minimiert oder vollständig beseitigt werden.
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In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die den Härteverzug zumindest teilweise kompensierende ermittelte Formgebung eine unebene Formgebung der Kurbelwellenwangen umfasst. Mit anderen Worten kann also durch eine nicht ebene Form der Kurbelwellenwangen erzielt werden, dass ansonsten auftretende Härteverzüge minimiert beziehungsweise vollständig kompensiert werden.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die den Härteverzug zumindest teilweise kompensierende ermittelte Formgebung zumindest für einen Teil der Kurbelwellenwangen unterschiedlich ist. Eine wie auch immer geartete Asymmetrie, Anschrägung und/oder nicht ebene Formgebung der Kurbelwellenwangen kann also bei Bedarf auch unterschiedlich ausfallen. Dadurch kann insbesondere im Bereich der jeweiligen Hubzapfen ein ansonsten auftretender Härteverzug besonders effektiv minimiert werden.
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Eine härteverzugsoptimierte Kurbelwelle kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder gemäß einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
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Es kann ein Kraftfahrzeug hergestellt werden, welches einen Verbrennungsmotor umfasst, der die härteverzugsoptimierte Kurbelwelle oder eine mögliche Ausgestaltung dieser Kurbelwelle aufweist.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur einen Ausschnitt einer härteverzugsoptimierten Kurbelwelle in einer Seitenansicht.
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Eine härteverzugsoptimierte Kurbelwelle 10 ist teilweise in einer Seitenansicht in der einzigen Figur gezeigt. Die Kurbelwelle 10 umfasst mehrere Hauptlager 12 und mehrere als Pleuellager dienende Hubzapfen 14. Seitlich an die jeweiligen Hubzapfen 14 grenzen jeweilige Kurbelwellenwangen 16 an. Darüber hinaus weist die Kurbelwelle 10 jeweilige Absätze 18 auf, die unmittelbar an die Hubzapfen 14 angrenzen. Die Absätze 18 können Bestanteil der jeweiligen Kurbelwellenwangen 16 sein oder auch nicht. Insbesondere jeweilige Übergangsbereiche 20 zwischen den Hubzapfen 14 und den Absätzen 18 unterliegen einer erhöhten mechanischen Belastung im Betrieb der Kurbelwelle 10.
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Es ist üblich, derartige Kurbelwellen 10 einer thermischen Härtung zu unterziehen, insbesondere im Bereich der jeweiligen Hubzapfen 14, vor allem auch in den Übergangsbereichen 20. Beim thermischen Härten kann es zu Härteverzügen kommen, in Folge dessen ein thermisch gehärteter Kurbelwellenrohling, aus dem die Kurbelwelle 10 hergestellt wird, Form- und/oder Maßabweichungen aufweisen kann. In solchen Fällen ist es üblicherweise erforderlich, die Hubzapfen 14 noch einer finalen Schleif- und/oder Finishbearbeitung zu unterziehen, wobei je nach Schwere der aufgetretenen Härteverzüge eine jeweilige Breite b der Absätze 18 entsprechend groß gewählt werden muss, damit besagte finale Schleif- und/oder Finishbearbeitung der jeweiligen Hubzapfen 14 überhaupt problemlos möglich ist. Bauraumbedingt ist die Länge solcher Kurbelwellen 10 üblicherweise begrenzt. Müssen die Absätze 18 also in axialer Richtung der Kurbelwelle 10 relativ breit ausfallen, so müssen beispielsweise die Kurbelwellenwangen 16 entsprechend schmäler gestaltet werden, was Schwierigkeiten bei der Steifigkeit, Festigkeit und Gegengewichtsdicke der Kurbelwellenwangen 16 nach sich ziehen kann.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen derartiger Kurbelwellen 10 erläutert, mittels welchem Härteverzüge minimiert werden können. Zunächst wird eine härteverzugsoptimierte Formgebung für einen hier nicht dargestellten Kurbelwellenrohling für zumindest eine Kurbelwellenvariante ermittelt. Dies erfolgt, indem ein beim thermischen Härten im Bereich jeweiliger Hubzapfen 14 des Kurbelwellenrohlings auftretender Härteverzug ermittelt wird. Zumindest für die jeweiligen an die Hubzapfen 14 angrenzenden Kurbelwellenwangen 16 des Kurbelwellenrohlings wird eine Formgebung ermittelt, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig kompensiert.
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Das Ermitteln der härteverzugsoptimierten Formgebung kann beispielsweise mittels Versuchen erfolgen. Die Formgebung der Kurbelwellenwangen 16 an betreffenden Kurbelwellenrohlingen kann so lange variiert werden, bis eine passende Formgebung gefunden worden ist, die den ansonsten auftretenden Härteverzug kompensiert. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Ermitteln der härteverzugsoptimierten Formgebung mittels Simulationen erfolgt. Versuche und Simulationen können insbesondere auch miteinander kombiniert werden, um auf besonders effiziente Weise die Formgebung für die Kurbelwellenwangen 16 zu ermitteln, die den Härteverzug zumindest teilweise oder vollständig kompensiert.
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Die den Härteverzug zumindest teilweise kompensierende ermittelte Formgebung kann beispielsweise eine Schrägstellung der Kurbelwellenwangen 16 gegenüber der radialen Richtung der Kurbelwellenrohlinge beziehungsweise der Kurbelwelle 10 umfassen. Alternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise auch möglich, dass die den Härteverzug zumindest teilweise kompensierende ermittelte Formgebung eine unebene Formgebung der Kurbelwellenwangen 16 umfasst. Wesentlich ist, dass die Formgebung der Kurbelwellenwangen 16 zu den jeweiligen Hubzapfen 14 hin so ist, dass die üblicherweise systematisch auftretenden Härteverzüge kompensiert werden, in Folge dessen die jeweilige Breite b der Absätze 18 entsprechend minimiert werden kann. Die Formgebung zur Kompensation der Härteverzüge kann beispielsweise eine Asymmetrie, eine Anschrägung und/oder auch eine nicht ebene Form verschiedenster Flächen der Kurbelwellenwangen 16 betreffen. Die den Härteverzug zumindest teilweise oder auch vollständig kompensierende ermittelte Formgebung kann auch für die jeweiligen Kurbelwellenwangen 16 unterschiedlich ausfallen.
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Nachdem die Formgebung der Kurbelwellenwangen 16 ermittelt wurde, die den ermittelten Härteverzug zumindest teilweise oder auch vollständig kompensiert, werden die Kurbelwellen 10 hergestellt, indem je herzustellender Kurbelwelle 10 ein die erforderliche Formgebung aufweisender Kurbelwellenrohling hergestellt wird, wonach dieser zumindest im Bereich seiner Hubzapfen 14 thermisch gehärtet und unter Ausbildung der betreffenden Kurbelwelle 10 fertigbearbeitet wird. Das Verfahren kann auch für unterschiedliche Kurbelwellenvarianten angewendet werden, wobei es in dem Fall vorgesehen sein kann, je Kurbelwellenvariante eine jeweils passende härteverzugsoptimierte Formgebung für betreffende Kurbelwellenrohlinge zu ermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kurbelwelle
- 12
- Hauptlager
- 14
- Hubzapfen
- 16
- Kurbelwellenwange
- 18
- Absatz
- 20
- Übergangsbereich
- b
- Breite des Absatzes
