DE102023114949A1

DE102023114949A1 - Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102023114949A1
Application number: DE102023114949.0A
Authority: DE
Inventors: Jun Sun; Shibo SHAO; Jianchen CONG; Yongming GUO
Original assignee: Shandong Tianrun Zhongcheng Additive Manufacturing Co Ltd; Shandong Tianrun Zhongcheng Additive Mfg Co Ltd; Tianrun Industry Tech Co Ltd; Tianrun Industry Technology Co Ltd; Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong Tianrun Zhongcheng Additive Manufacturing Co Ltd; Shandong Tianrun Zhongcheng Additive Mfg Co Ltd; Tianrun Industry Tech Co Ltd; Tianrun Industry Technology Co Ltd; Shandong University of Technology
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2023-06-07
Publication date: 2024-05-23
Also published as: US20240167165A1; CN115927994A; JP2024073347A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Kurbelwellen und offenbart ein Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle. Das Herstellungsverfahren umfasst: Unterteilen eines Zapfens einer Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung in einen Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt und zwei Zapfen-Schleifabschnitte, wobei sich die zwei Zapfen-Schleifabschnitte jeweils auf zwei Seiten des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts befinden; wobei eine Oberfläche der Zapfen-Schleifabschnitte höher als eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts liegt, wobei eine Oberfläche der Zapfen-Schleifabschnitte höher als die Zapfenoberfläche einer fertigen Kurbelwelle liegt, wobei die Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung höher als die Kehlenoberfläche der fertigen Kurbelwelle liegt, und wobei die Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts in der radialen Richtung des Zapfens geringer als die Größe des Zapfens der fertigen Kurbelwelle ist; und Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts mit einer Keramikbeschichtung, Schleifen der Zapfenoberfläche und der Kehlenoberfläche der mit der Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Kurbelwelle, bis eine Oberfläche der Keramikbeschichtung nahtlos mit der Kehlenoberfläche verbunden ist, und Polieren, um die fertige Kurbelwelle zu erhalten. Mit der vorliegenden Erfindung kann der Oberflächenreibkoeffizient der Kurbelwelle gesenkt, eine Oberflächenabriebfestigkeit der Kurbelwelle erhöht, die Lagerschalenschaden- und Lagerschalenüberhitzung-Störungswahrscheinlichkeit verringert und die Lebensdauer der Kurbelwelle verlängert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Kurbelwellen, insbesondere ein Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle.
STAND DER TECHNIK
Eine Kurbelwelle stellt eines der wichtigsten Teile eines Motors dar und ihre Zuverlässigkeit hat direkte Auswirkungen auf die Stabilität des ganzen Motors. Mit der Umsetzung der Abgasnorm EURO VI und der Abgasnorm China VI in den letzten Jahren erfahren Motoren eine Entwicklung in Richtung des Leichtbaus, der Energieeinsparung und der Erhöhung der Drehzahl. Der Zünddruck eines Motors nimmt ständig zu und der maximale Zünddruck hat von 160 bis 180 bar bei der Abgasnorm China V auf 200 bis 260 bar bei der Abgasnorm China VI zugenommen, was zu einer ständigen Erhöhung des Ausfallrisikos infolge eines Lagerschalenschadens der Kurbelwelle führt. Seit der Umsetzung der Abgasnorm China VI nimmt die Quote der Lagerschalenschäden der Kurbelwellen bei Motoren mit vier und sechs Zylindern erheblich zu. Ausfälle infolge von Lagerschalenschäden machen mehr als 30% der Gesamtausfälle aus und sind zu einem Hauptfaktor, der die Motorzuverlässigkeit beeinflusst, geworden. Hauptmechanismus des Ausfalls: Ein erhöhter Zünddruck des Motors führt zu einer erhöhten Ist-Belastung des Kurbelwellenzapfens, sodass der flüssige Schmierfilm leicht bricht, was das Reibungspaar aus der Kurbelwelle und der Lagerschale in einen Grenzschmierungszustand versetzt. Somit stehen metallische Mikrovorsprünge an einem Teilbereich des Reibungspaars in direktem Kontakt miteinander, was zu einem starken Verschleiß und einem Ausfall der Schmierung führt. Um die Zuverlässigkeit der Kurbelwellen zu erhöhen, ist es aus diesem Grund zu einem dringenden Problem geworden, den Oberflächenreibkoeffizienten der Kurbelwelle zu reduzieren und die Lagerschalenschaden- und Lagerschalenüberhitzung-Wahrscheinlichkeit bei der Kurbelwelle zu verringern.
Bestehende herkömmliche Methoden zur Oberflächenbehandlung für Kurbelwellen umfassen vor allem induktives Oberflächenhärten und Oberflächennitrieren. Bei den beiden Methoden wird durch Erhöhen der Oberflächenhärte die Hartendifferenz des Zapfen-Lager-Reibungspaars erhöht, ohne den eigenen Reibkoeffizienten des Materials zu ändern, sodass sich eine Oberflächenabriebfestigkeit der Kurbelwelle überhaupt nicht ändert. Daher sind herkömmliche Oberflächenbehandlungstechnologien für Kurbelwellen nicht mehr in der Lage, sich an die Motoranforderungen bei strengeren Abgasnormen anzupassen, weshalb dringend neue Technologien und Verfahren erforscht werden sollen, um den Reibkoeffizienten der Oberfläche der Kurbelwelle zu senken, die Lebensdauer der Kurbelwelle zu verlängern, die Lagerschalenschaden- und die Lagerschalenüberhitzung-Wahrscheinlichkeit zu verringern und somit die Gesamtzuverlässigkeit des Motors zu verbessern.
INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Überwinden des Nachteils im Stand der Technik ein Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle bereitzustellen, womit der Oberflächenreibkoeffizient der Kurbelwelle gesenkt, eine Oberflächenabriebfestigkeit der Kurbelwelle erhöht, die Lagerschalenschaden- und Lagerschalenüberhitzung-Störungswahrscheinlichkeit verringert und die Lebensdauer der Kurbelwelle verlängert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle, das Folgendes umfasst:

Unterteilen eines Zapfens einer Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung in einen Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt und zwei Zapfen-Schleifabschnitte, wobei sich die zwei Zapfen-Schleifabschnitte jeweils auf zwei Seiten des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts befinden; wobei eine Oberfläche der Zapfen-Schleifabschnitte höher als eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts liegt, wobei eine Oberfläche der Zapfen-Schleifabschnitte höher als die Zapfenoberfläche einer fertigen Kurbelwelle liegt, wobei die Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung höher als die Kehlenoberfläche der fertigen Kurbelwelle liegt, und wobei die Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts in der radialen Richtung des Zapfens geringer als die Größe des Zapfens der fertigen Kurbelwelle ist;
Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts mit einer Keramikbeschichtung, Schleifen der Zapfenoberfläche und der Kehlenoberfläche der mit der Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Kurbelwelle, bis eine Oberfläche der Keramikbeschichtung nahtlos mit der Kehlenoberfläche verbunden ist, und Polieren, um die fertige Kurbelwelle zu erhalten.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung 0,1 bis 0,15 mm höher als die Kehlenoberfläche der fertigen Kurbelwelle liegt, und wobei die Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts in der radialen Richtung des Zapfens 0,1 bis 0,15 mm geringer als die Größe des Zapfens der fertigen Kurbelwelle ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Breite des Zapfen-Schleifabschnitts, die senkrecht zu der radialen Richtung des Zapfens ist, 1 bis 2 mm beträgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung nahtlos mit der Oberfläche des Zapfen-Schleifabschnitts verbunden ist, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Zapfen-Schleifabschnitt und dem Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt gekrümmt ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass vor einer Sprühbeschichtung der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts mit der Keramikbeschichtung eine Vorbehandlung der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung erfolgt, wobei die Vorbehandlung Abhärten des Zapfens, Ölbohrung-Schutz des Zapfens und Texturieren der Zapfenoberfläche umfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Dicke der Keramikbeschichtung in der radialen Richtung des Zapfens 0,05 bis 0,2 mm beträgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts mit einer Keramikbeschichtung im Detail wie folgt erfolgt:

Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts mit einer Metallbindungsbodenschicht, die eine Dicke von 0,05 bis 0,10 mm in der radialen Richtung des Zapfens aufweist;
Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts mit einer gleichmäßigen und kompakten Keramikbeschichtung, wobei eine Wärmequelle für die Sprühbeschichtung eine Temperatur von 2000°C bis 3500°C aufweist, und wobei eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts eine Temperatur von 80°C bis 150°C aufweist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beim Sprühbeschichten mit der Keramikbeschichtung der Sprühabstand 50 bis 380 mm beträgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Größe des geschliffenen Zapfens in der radialen Richtung des Zapfens 0,004 bis 0,006 mm größer als die Größe des Zapfens der fertigen Kurbelwelle ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Oberflächenrauigkeit des Zapfens der fertigen Kurbelwelle 0,1 bis 0,4 µm beträgt.
Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich die Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Vorteile aus:

Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Oberfläche des Zapfens mit dem Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt und den Zapfen-Schleifabschnitten versehen und eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts wird mit einer Keramikbeschichtung einer bestimmten Dicke sprühbeschichtet, wonach eine Oberfläche des Zapfens geschliffen und poliert wird, um das Sollmaß der fertigen Kurbelwelle zu erreichen. Durch Sprühbeschichten mit der Keramikbeschichtung wird die Abriebfestigkeit der Kurbelwelle erheblich erhöht, der Oberflächenreibkoeffizient der Kurbelwelle gesenkt, die Lebensdauer der Kurbelwelle verlängert und die Lagerschalenschaden- und Lagerschalenüberhitzung-Störungswahrscheinlichkeit wesentlich reduziert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um den Inhalt der vorliegenden Erfindung leichter verständlich und klarer zu machen, erfolgt nachfolgend eine nähere Beschreibung der Erfindung anhand ausführlicher Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Darin zeigen

1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung nach der vorliegenden Erfindung;
3 eine Ausschnittsvergrößerung der Stelle A gemäß 2;
4 eine schematische Darstellung einer sprühbeschichteten fertigen Kurbelwelle nach der vorliegenden Erfindung,
5 eine Ausschnittsvergrößerung der Stelle B gemäß 4;
6 eine schematische Darstellung der Zapfenoberfläche der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung der Zapfenoberfläche der mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Kurbelwelle nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung der mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten fertigen Kurbelwelle eines Motors mit sechs Zylindern nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 einen Prüfling einer Reibungs- und Verschleißprüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses in der Mitte des Zapfens bei einem nicht mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in einer zweiten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses in der Mitte des Zapfens bei einem mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in der zweiten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses einer oberen und einer unteren Lagerschale bei dem nicht mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in der zweiten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses der oberen und der unteren Lagerschale bei dem mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in der zweiten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses in der Mitte des Zapfens bei einem nicht mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in einer dritten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses in der Mitte des Zapfens bei einem mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in der dritten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses einer oberen und einer unteren Lagerschale bei dem nicht mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in der dritten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
17 eine Darstellung des Prüfungsergebnisses der oberen und der unteren Lagerschale bei dem mit einer Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Prüfling in der dritten Prüfung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Bezugszeichen: 1. Zapfen, 2. Kehle, 3. Berührungspunkt zwischen dem Zapfen und der Kehle, 4. Kurbelwange, 5. Zapfenoberfläche vor einer Sprühbeschichtung, 6. Zapfenoberfläche der fertigen Kurbelwelle, 7. Kehlenoberfläche vor Schleifen, 8. Kehlenoberfläche der fertigen Kurbelwelle, 9. Keramikbeschichtung, 10. Zapfen-Schleifabschnitt, 11. Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt, 12. Verbindungsstelle zwischen dem Zapfen-Schleifabschnitt und dem Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt, 13. Oberfläche der fertigen Kurbelwelle.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Damit Fachleute auf diesem Gebiet die vorliegende Erfindung besser verstehen und ausführen können, wird nachfolgend die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, worauf jedoch die vorliegende Erfindung keineswegs eingeschränkt ist.
In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe „mittig“, „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „links“, „rechts“, „oberste“, „unterste“, „innen“, „außen“ usw. jeweils in Bezug auf die dargestellte Richtung- oder Positionsbeziehung in der jeweiligen Zeichnung verwendet werden, um lediglich die Erfindung zu schildern und ggf. die Schilderung zu vereinfachen. Mit anderen Worten wird mit diesen Begriffen weder im- noch explizit auf die Positionierung sowie die Ausgestaltung und Bedienung der betreffenden Vorrichtung oder des betreffenden Elements in einer vorbestimmten Positionierung hingedeutet, so dass auch hier keine Einschränkung der Erfindung vorliegt. Des Weiteren ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe „erste“ und „zweite“ nicht als im- oder expliziter Hinweis auf die relative Wichtigkeit oder auf die Anzahl des betroffenen Merkmals verstanden werden sollen. Stattdessen dienen diese lediglich der Beschreibung. Somit kann ein mit „zweite“ oder „erste“ näher bestimmtes Merkmal explizit oder implizit bedeuten, dass ein oder mehrere derartige Merkmale enthalten sind. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „mehrere“ auf eine Anzahl von zwei oder mehr, sofern nicht anders angegeben.
Bei der vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe „anbringen“, „miteinander verbunden“, „verbinden“, „befestigen“ o. dgl., soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, im weiteren Sinne verstanden werden. So kann es sich dabei z.B. sowohl um eine feste, eine lösbare oder eine einteilige Verbindung als auch um eine mechanische, eine elektrische Verbindung und auch eine Kommunikation handeln. Zudem sind auch direkte Verbindungen, indirekte bzw. über ein Zwischenstück hergestellte Verbindungen wie auch innere Verbindungen zweier Elemente oder Zusammenwirkungen zweier Elemente denkbar. Als durchschnittliche Fachleute auf diesem Gebiet kann man von der Sachlage ausgehen, um zu ermitteln, welche Bedeutung die genannten Begriffe gemäß der vorliegenden Erfindung haben sollen.
Sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben und definiert ist, kann bei einem ersten Merkmal, das „oberhalb“ oder „unterhalb“ eines zweiten Merkmals angeordnet ist, der Fall sein, dass das erste Merkmal direkt das zweite Merkmal berührt, oder dass das erste und das zweite Merkmal über ein Zwischenstück miteinander in Berührung stehen. Des Weiteren zielt der Begriff „umfassen“ darauf ab, eine nicht ausschließliche Einbeziehung abzudecken. Ein Vorgang, ein Verfahren, ein System, ein Produkt oder eine Anlage, der, das oder die beispielsweise eine Reihe von Schritten oder Einheiten umfasst, wird nicht auf die aufgeführten Schritte oder Einheiten beschränkt und umfasst vielmehr optional auch andere Schritte oder Einheiten, die nicht angegeben werden oder über die solcher Vorgang, solches Verfahren, Produkt oder solche Anlage selbst verfügt.
Es wird auf das Ablaufdiagramm gemäß 1 hingewiesen. Die vorliegende Erfindung offenbart ein Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle. Es umfasst:

Schritt 1: Es wird auf 2 bis 5 hingewiesen. Die gestrichelte Linie in 2 und 3 steht für eine Oberfläche 13 einer fertigen Kurbelwelle (nämlich die Fläche, auf der die Zapfenoberfläche 6 der fertigen Kurbelwelle und die Kehlenoberfläche 8 der fertigen Kurbelwelle befinden). Die durchgehende Linie in 2 bis 5 steht für eine Oberflächeeine Oberfläche der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung (nämlich die Fläche, auf der sich die Zapfenoberfläche 5 vor einer Sprühbeschichtung befindet). Der schattierte Bereich in 4 und 5 steht für eine Keramikbeschichtung 9. Auslegen des Aufbaus der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung. Definieren des Maßes der fertigen Kurbelwelle als das SollMaß einer ursprünglichen Motorkurbelwelle, Unterteilen eines Zapfens 1 der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung in einen Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt 11 und zwei Zapfen-Schleifabschnitte 10, wobei die Breite des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 zwischen dem Abstand der Berührungspunkte 3 des Zapfens und der Kehle auf zwei Seiten und der Breite der tatsächlichen Lagerfläche einer Lagerschale liegt, wobei sich die zwei Zapfen-Schleifabschnitte 10 auf zwei Seiten des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 befinden; wobei eine Oberflächeeine Oberfläche der Zapfen-Schleifabschnitte 10 höher als eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 liegt, wobei eine Oberfläche der Zapfen-Schleifabschnitte 10 höher als die Zapfenoberfläche 6 der fertigen Kurbelwelle liegt, wobei eine Oberfläche der Kehle 2 der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung nahtlos mit der Oberfläche des Zapfen-Schleifabschnitts 10 verbunden ist, wobei eine Oberfläche der Kehle 2 der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung höher als die Kehlenoberfläche 8 der fertigen Kurbelwelle liegt, und wobei die Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 in der radialen Richtung des Zapfens 1 geringer als die Größe des Zapfens 1 der fertigen Kurbelwelle ist.

Der Zwischenraum zwischen dem Zapfen 1 und einer Lagerschale der fertigen Kurbelwelle beträgt in der Regel ungefähr 0,06 mm. Je nach der jeweiligen Kurbelwelle liegt eine Oberfläche der Kehle 2 der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung 0,1 bis 0,15 mm höher als die Kehlenoberfläche 8 der fertigen Kurbelwelle. Das heißt, der Abstand zwischen der Kehlenoberfläche 7 vor Schleifen und der Kehlenoberfläche 8 der fertigen Kurbelwelle liegt bei 0,1 bis 0,15 mm in 3. Die Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 in der radialen Richtung des Zapfens 1 ist 0,1 bis 0,15 mm geringer als die Größe des Zapfens 1 der fertigen Kurbelwelle. Eine Breite des Zapfen-Schleifabschnitts 10, die senkrecht zu der radialen Richtung des Zapfens 1 ist, beträgt 1 bis 2 mm und die Summe der Breiten der zwei Zapfen-Schleifabschnitte 10 auf zwei Seiten beträgt 2 bis 4 mm. Die Verbindungsstelle 12 zwischen dem Zapfen-Schleifabschnitt und dem Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt ist gekrümmt. Durch einen gekrümmten Übergang an der Verbindungsstelle kann die Festigkeit der Kurbelwelle sichergestellt werden. Um eine glatte Verbindung an der Verbindungsstelle zwischen der Keramikbeschichtung 9 des Zapfens und der Kehle 2 der fertigen Kurbelwelle zu gewährleisten, bleibt an der Kehle 2 vor einer Sprühbeschichtung ein bestimmtes Bearbeitungsaufmaß zurück und nach Abschluss der Sprühbeschichtung wird die Keramikbeschichtung an der Kehle 2 und dem Zapfen 1 zusammen bis zu dem fertigmaß geschliffen.

Schritt 2: Sprühbeschichtung-Vorbehandlung der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung, wobei die Vorbehandlung ein Abhärten des Zapfens 1, ein Ölbohrung-Schutz des Zapfens 1 und ein Texturieren der Oberfläche des Zapfens 1 umfasst.
Schritt 2-1: Abhärten der Kurbelwelle und vorhergehende Arbeitsgänge verwenden herkömmliche Herstellungstechniken und hier entfällt eine nähere Erläuterung darüber.
Schritt 2-2: Schutzbehandlung der Ölbohrung des Zapfens 1 der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung. Ölbohrungen und Ölbohrungsfasen an allen Hauptzapfen und Kurbelzapfen 1 gehören zum Sprühbeschichtungs-Schutzbereich, bei dessen Grenze es sich um die Verbindungsstelle zwischen der Außenkontur einer Ölbohrungsfase und der Oberfläche des Zapfens 1 handelt.
Schritt 2-3: Texturieren der Oberfläche des Zapfens 1. Vor Sprühbeschichtung erfolgt ein Sandstrahlen der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 mit Sand, sodass eine Oberfläche texturiert wird, womit die Bindungskraft zwischen der Beschichtung und dem Zapfen 1 erhöht wird. Die texturierte Oberfläche weist eine Rauigkeit Ra von 5 bis 10 µm auf.
Schritt 3: Sprühbeschichten mit der Keramikbeschichtung 9. Nach der Vorbehandlung wird eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 mit der Keramikbeschichtung 9 sprühbeschichtet. Dabei wird lediglich eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 des Zapfens 1 sprühbeschichtet, ohne die Kehle 2 und die anderen Stellen zu beschichten.
Schritt 3-1: Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 mit einer Metallbindungsbodenschicht, um die Bindungskraft zwischen der Keramik und dem Grundkörpermaterial der Kurbelwelle zu erhöhen. Die Metallbindungsbodenschicht weist eine Dicke von 0,05 bis 0,10 mm in der radialen Richtung des Zapfens 1 auf; Die Metallbindungsbodenschicht besteht aus Co, Ni oder einem Legierungsmaterial mit Cr, Al und Y
Schritt 3-2: Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 mit einer gleichmäßigen und kompakten Keramikbeschichtung 9, wobei eine Wärmequelle für die Sprühbeschichtung eine Temperatur von 2000°C bis 3500°C aufweist, und wobei eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts 11 eine Temperatur von 80°C bis 150°C aufweist, und wobei eine Dicke der Keramikbeschichtung 9 in der radialen Richtung des Zapfens 1 bei 0,05 bis 0,2 mm liegt.

Beim Sprühbeschichten mit der Keramikbeschichtung 9 wird je nach dem Beschichtungsmaterial und der Beschichtungstechnik der Sprühabstand zwischen 50 und 380 mm eingestellt. Ein Foto des Zapfens 1 der Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist aus 6 zu entnehmen, während ein Foto des Zapfens 1 der sprühbeschichteten Kurbelwelle aus 7 zu entnehmen ist. Beim Sprühbeschichten der Oberfläche der Kurbelwelle mit Keramik in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird durch Anpassen der Zusammensetzung des Materials und der Beschichtungstechnik eine stabile Porosität der Keramikoberfläche von 5% bis 7% erreicht. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Keramikmaterial aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Hauptbestandteil oder aus durch Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂ bestehen.

Schritt 4: Schleifen und Polieren zum Erhalten einer fertigen Kurbelwelle.
Schritt 4-1: Schleifen der Oberfläche des Zapfens 1, der Oberfläche der Kurbelwange 4 und der Oberfläche der Kehle 2 der mit der Keramikbeschichtung 9 sprühbeschichteten Kurbel mittels ein und derselben Schleifmaschine, bis eine Oberfläche der Keramikbeschichtung 9 drahtlos mit der Oberfläche der Kehle 2 verbunden ist und die Größe des geschliffenen Zapfens 1 in der radialen Richtung des Zapfens 1 0,004 bis 0,006 mm, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 0,005 mm, größer als die Größe des Zapfens 1 der fertigen Kurbelwelle ist. Als Schleifwerkzeug wird eine CBN-Schleifscheibe verwendet. Durch gleichzeitiges Schleifen der Oberflächen des Zapfens und der Kehle der sprühbeschichteten Kurbelwelle wird eine drahtlose Verbindung der Keramikbeschichtung des Zapfens mit der unbeschichteten Metalloberfläche erreicht, womit ein glatter Übergang zwischen dem Zapfen und der Kehle der Kurbelwelle sichergestellt wird.
Schritt 4-2: Polieren der Oberfläche zum Erhalten einer fertigen Kurbelwelle. An einer automatischen Poliermaschine werden der Zapfen 1 und die Kehle 2 der Kurbelwelle mit einem Diamant-Schleifband poliert, wonach der Zapfen 1 und die Kehle 2 der Kurbelwelle das fertigmaß erreichen. Eine Oberflächenrauigkeit Ra des Zapfens 1 der fertigen Kurbelwelle beträgt 0,1 bis 0,4 µm.

Bei der vorliegenden Erfindung wird gewährleistet, dass an dem Zapfen der fertigen Kurbelwelle eine Keramikbeschichtung einer bestimmten Dicke vorhanden ist und die Kehle immer noch aus metallischem Grundkörper besteht, womit neben erhöhter Abrieb- und Verschleißfestigkeit des Zapfens der Kurbelwelle die Festigkeit der Kurbelwelle unberührt bleibt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Oberfläche des Zapfens mit dem Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt und den Zapfen-Schleifabschnitten versehen und eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts wird mit einer Keramikbeschichtung einer bestimmten Dicke sprühbeschichtet, wonach eine Oberfläche des Zapfens geschliffen und poliert wird, um das Sollmaß der fertigen Kurbelwelle zu erreichen. Durch Sprühbeschichten mit der Keramikbeschichtung wird eine Oberflächenabriebfestigkeit der Kurbelwelle erheblich erhöht und der Oberflächenreibkoeffizient der Kurbelwelle gesenkt. Durch die Keramikschicht an der Oberfläche der Kurbelwelle mit Keramikschicht wird der Reibkoeffizient zwischen der Kurbelwelle und der Lagerschale erheblich gesenkt und die hohe Porosität der Keramikschicht verbessert die Schmierfähigkeit der Oberfläche des Zapfens, womit die Lagerschalenschaden- und die Lagerschalenüberhitzung-Wahrscheinlichkeit der Kurbelwelle erheblich verringert und die Lebensdauer wesentlich verlängert wird. Der Hauptmechanismus zum Verbessern der tribologischen Eigenschaften der Kurbelwelle und der Lagerschale über die Keramikbeschichtung umfasst vor allem folgende Aspekte:

(1) Die Arten der in Berührung stehenden Materialien werden geändert. Das Reibungspaar aus dem Kurbelwellenzapfen und der Lagerschale wird von einem Metall-Metall-Paar in ein Keramik-Metall-Paar umgewandelt, wodurch die durch die Metallverträglichkeit verursachte Haftkraft des Reibungspaars erheblich gesenkt, der Reibkoeffizient verringert und das Risiko von adhäsivem Verschleiß reduziert werden kann;
(2) Das Keramikmaterial weist eine hohe Porosität auf und verfügt hinsichtlich der Mikrostruktur über die Fähigkeit zum Speichern von Öl. Bei im Grenzschmierungszustand befindlichem Reibungspaar tritt das in den Poren des Materials gespeicherte Schmieröl durch Drücken aus, womit die Schmierfähigkeit der Oberfläche erheblich verbessert werden kann;
(3) Nach Polieren ist eine Oberfläche des Keramikmaterials spiegelartig und weist eine gegenüber herkömmlicher Metalloberfläche wesentlich gesenkte Rauigkeit auf, womit das Risiko direkter Berührung zwischen metallischen Mikrovorsprüngen an einem Teilbereich des Reibungspaars verringert wird;
(4) Keramik stellt ein sicheres Material dar und beim Ablösen des Keramikmaterials von der Oberfläche des Grundkörpers der Kurbelwelle beim Verschleiß wird dieses dann leicht pulvrig zerkleinert, womit ein abrasiver Verschleiß dreier Körper infolge des Ablösens des Oberflächenmaterials vermieden und somit die Verunreinigung der Reibungsoberfläche gering gehalten wird.

Um die vorteilhaften Auswirkungen der vorliegenden Erfindung näher zu erläutern, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Untersuchung an einer Kurbelwelle eines Motors mit sechs Zylindern gemäß 8 durchgeführt. Dabei erfolgt ein Vergleich eines erfindungsgemäß hergestellten, an der Oberfläche eine Keramikbeschichtung aufweisenden Prüflings einer Reibungs- und Verschleißprüfung mit einem Prüfling, der mittels herkömmlicher Technik hergestellt ist und keine Keramikbeschichtung aufweist, bei einer Rotationsreibungsprüfung. Ein Foto des verwendeten Prüflings ist aus 9 zu entnehmen. Eine Rotationsreibungsprüfung erfolgt jeweils an dem erfindungsgemäß hergestellten, an der Oberfläche eine Keramikbeschichtung aufweisenden Prüfling und dem Prüfling, der mittels herkömmlicher Technik hergestellt ist und keine Keramikbeschichtung aufweist, bei drei Prüfungsumgebungen. Die drei Prüfungsumgebungen sind in Tabelle 1 gezeigt und das Prüfungsergebnis ist der Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 1. Tabelle der Einstellungen der drei Prüfungsumgebungen

Prüfungsnummer	Prüfungseinstellung
Erste Prüfung	Der Schmieröldurchfluss beträgt 0,025 L/min, der Schmiersystemdruck beträgt 0,45 MPa, die Drehzahl beträgt 1800 U/min und der bei der Prüfung auf den Zapfen aufgebrachte Druck gleicht dem Druck beim Zünden des Motors. Die Prüfung läuft für 30 Minuten und der abrasive Verschleißt wird beobachtet.
Zweite Prüfung	Der Schmieröldurchfluss beträgt 0,025 L/min, der Schmiersystemdruck beträgt 0,45 MPa, die Drehzahl beträgt 1800 U/min und der bei der Prüfung auf den Zapfen aufgebrachte Druckt entspricht 120% des Drucks beim Zünden des Motors. Die Prüfung läuft für 30 Minuten und der abrasive Verschleißt wird beobachtet.
Dritte Prüfung	Der Schmieröldurchfluss beträgt 0,025 L/min, der Schmiersystemdruck beträgt 0,45 MPa, die Drehzahl beträgt 1800 U/min, der bei der Prüfung auf den Zapfen aufgebrachte Druck gleicht dem Druck beim Zünden des Motors und dem Schmieröl wird 1 g Eisenstaub mit einer Korngröße von 0,5 mm hinzugefügt. Die Prüfung läuft für 30 Minuten und der abrasive Verschleißt wird beobachtet.

Tabelle 2. Vergleichstabelle der Ergebnisse der drei Rotationsreibungsprüfungen

Prüflingszustand	Prüfungsnummer	Prüfungsergebnis
Unbeschichteter Prüfling	Erste Prüfung	Kein Verschleiß an dem Zapfen und kein Verschleiß an der oberen und der unteren Lagerschale.
	Zweite Prüfung	Leichter Verschleiß in der Mitte des Zapfens, wie in 10 gezeigt;
	Zweite Prüfung	Leichter Verschleiß in der Mitte und am Rande des Zapfens, wie in 12 gezeigt.
	Dritte Prüfung	Starker Verschleiß an dem Zapfen, wie in 14 gezeigt;
		Starker Verschleiß an der oberen und der unteren Lagerschale, wie in 16 gezeigt;
		Durch Reibung wird eine große Wärmemenge erzeugt, sodass die obere und die untere Lagerschale und der Lagerdeckel miteinander verschmolzen sind.
Sprühbeschichteter Prüfling	Erste Prüfung	Kein Verschleiß an dem Zapfen und kein Verschleiß an der oberen und der unteren Lagerschale.
	Zweite Prüfung	Kein Verschleiß an dem Zapfen, wie in 11 gezeigt;
	Zweite Prüfung	Leichter Verschleiß am Rande der oberen und der unteren Lagerschale, wie in 13 gezeigt.
	Dritte Prüfung	Wenige Reibungskratzer an dem Zapfen, wie in 15 gezeigt;
		Starker Verschleiß an der oberen und der unteren Lagerschale, wie in 17 gezeigt;
		Durch Reibung wird eine geringe Wärmemenge erzeugt und die obere und die untere Lagerschale und der Lagerdeckel sind nicht miteinander verschmolzen.

Bei der Bohrung an dem Zapfen in 10 bis 17 handelt es sich um eine Schmierölbohrung des Kurbelwellenzapfens, über die die Kurbelwelle selbst verfügt. Das Prüfungsergebnis der ersten Prüfung zeigt keine wesentlichen Unterschiede, weshalb die zweite Prüfung durchgeführt wird. Wie sich aus 10 bis 13 ergibt, wird bei den gleichen Prüfungsbedingungen eine wesentliche Verbesserung des Verschleißzustands des Zapfens sowie der oberen und der unteren Lagerschale unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung erzielt. Wie sich aus 14 bis 17 ergibt, wird bei der dritten Prüfung durch Verwendung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung ebenfalls der Verschleißzustand des Zapfens wesentlich verbessert. Trotz des Lagerschalenschadens an der oberen und der unteren Lagerschale wird eine sehr geringe Reibungswärmemenge gegenüber der Kurbelwelle ohne Keramikbeschichtung erzeugt, weshalb die Lagerschale und der Lagerdeckel nicht miteinander verschmolzen sind und somit die Verschleißfestigkeit weiter verbessert wird.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, weist der Zapfen der Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung nach Sprühbeschichtung mit der Keramikbeschichtung beim Belasten mit einem Überdruck einen erheblich besseren Verschleißzustand als bei der Kurbelwelle ohne Keramikbeschichtung auf; Bei der Reibung infolge der Berührung des Zapfens mit der Lagerschale wird bei der Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung eine erheblich geringere Wärmemenge durch die Reibung als bei der Kurbelwelle ohne Keramikbeschichtung erzeugt. Bei der Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung wird ein Verkleben des Zapfens mit der Lagerschale ausgeschlossen; Des Weiteren zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch fortgeschrittene Technologie und gute technische Durchführbarkeit aus. Wie sich aus den Prüfungen ergibt, weist die Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung eine wesentlich gesenkte Wahrscheinlichkeit des Lagerschalenschadens und der Lagerschalenüberhitzung auf. Die erfindungsgemäß hergestellte Kurbelwelle mit Keramikbeschichtung zeichnet sich durch zuverlässige Funktion aus, wodurch die vorteilhaften Auswirkungen der Erfindung bewährt werden.
Das obige Ausführungsbeispiel stellt lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur ausführlichen Beschreibung der Erfindung dar und darauf ist der Schutzumfang der Erfindung keineswegs eingeschränkt. Gleichwertige Substitutionen und Abänderungen, die von Fachleuten auf diesem Gebiet basierend auf der Erfindung vorgenommen werden, sind von dem Schutzumfang der Erfindung umfasst. Hinsichtlich des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung sind die Ansprüche ausschlaggebend.

Claims

Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes umfasst: Unterteilen eines Zapfens (1) einer Kurbelwelle vor einer Sprühbeschichtung in einen Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt (11) und zwei Zapfen-Schleifabschnitte (10), wobei sich die zwei Zapfen-Schleifabschnitte (10) jeweils auf zwei Seiten des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts befinden; wobei eine Oberfläche des Zapfen-Schleifabschnitts (10) höher als eine Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) liegt, wobei die Oberfläche des Zapfen-Schleifabschnitts (10) höher als eine Zapfenoberfläche (6) einer fertigen Kurbelwelle liegt, wobei eine Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor der Sprühbeschichtung höher als die Kehlenoberfläche (8) der fertigen Kurbelwelle liegt, und wobei eine Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) in einer radialen Richtung des Zapfens geringer als eine Größe des Zapfens der fertigen Kurbelwelle ist; Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) mit einer Keramikbeschichtung (9), Schleifen einer Zapfenoberfläche und einer Kehlenoberfläche (7) der mit der Keramikbeschichtung sprühbeschichteten Kurbelwelle, bis eine Oberfläche der Keramikbeschichtung (6) nahtlos mit der Kehlenoberfläche verbunden ist, und Polieren, um die fertige Kurbelwelle zu erhalten.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor der Sprühbeschichtung 0,1 bis 0,15 mm höher als die Kehlenoberfläche (8) der fertigen Kurbelwelle liegt, und wobei die Größe der Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) in der radialen Richtung des Zapfens (1) 0,1 bis 0,15 mm geringer als die Größe des Zapfens (1) der fertigen Kurbelwelle ist.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite des Zapfen-Schleifabschnitts (10), die senkrecht zu der radialen Richtung des Zapfens ist, 1 bis 2 mm beträgt.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehlenoberfläche der Kurbelwelle vor Sprühbeschichtung nahtlos mit der Oberfläche des Zapfen-Schleifabschnitts verbunden ist, wobei eine Verbindungsstelle (12) zwischen dem Zapfen-Schleifabschnitt (10) und dem Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitt (11) gekrümmt ist.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Sprühbeschichtung der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) mit der Keramikbeschichtung (9) eine Vorbehandlung der Kurbelwelle vor der Sprühbeschichtung erfolgt, wobei die Vorbehandlung ein Abhärten des Zapfens, ein Ölbohrung-Schutz des Zapfens und ein Texturieren der Zapfenoberfläche umfasst.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Keramikbeschichtung (9) in der radialen Richtung des Zapfens 0,05 bis 0,2 mm beträgt.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) mit einer Keramikbeschichtung (9) im Detail wie folgt erfolgt: Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) mit einer Metallbindungsbodenschicht, die eine Dicke von 0,05 bis 0,10 mm in der radialen Richtung des Zapfens aufweist; Sprühbeschichten der Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) mit einer gleichmäßigen und kompakten Keramikbeschichtung, wobei eine Wärmequelle für die Sprühbeschichtung eine Temperatur von 2000°C bis 3500°C aufweist, und wobei die Oberfläche des Zapfen-Sprühbeschichtungsabschnitts (11) eine Temperatur von 80°C bis 150°C aufweist.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sprühbeschichten mit der Keramikbeschichtung (9) ein Sprühabstand 50 mm bis 380 mm beträgt.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe des geschliffenen Zapfens in der radialen Richtung des Zapfens 0,004 bis 0,006 mm größer als die Größe des Zapfens der fertigen Kurbelwelle ist.
Herstellungsverfahren zum Verringern des Reibkoeffizienten und Erhöhen der Oberflächenabriebfestigkeit einer Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenrauigkeit des Zapfens der fertigen Kurbelwelle 0,1 bis 0,4 µm beträgt.