DE10202547C1

DE10202547C1 - Verfahren zum Bearbeiten von Hubzapfen einer Kurbelwelle sowie danach hergestellte Kurbelwelle

Info

Publication number: DE10202547C1
Application number: DE2002102547
Authority: DE
Inventors: Georg Hauschild; Alfred Heimann
Original assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Current assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: WO2003062654A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Hubzapfen (3) einer Kurbelwelle (1) durch spanabhebende Vor- und Fertigbearbeitung der Auflagerfläche (8) für das Pleuellager des Hubzapfens (3). Bei vergrößertem Hub (h¶v¶) des Hubzapfens (3) werden die Einstiche (6, 7) zu beiden Seiten der vorbearbeiteten Auflagerfläche konzentrisch zur Auflagerfläche eingearbeitet und festgewalzt. Beim Fertigbearbeiten wird die Auflagerfläche (8) auf einem Abschnitt (14) ihres Umfangs bis annähernd zur Tiefe der Einstiche (6, 7) abgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Hubzapfen einer Kurbelwelle durch spanabhebende Vor- und Fertigbearbeitung der Auflagerfläche für das Pleuellager des Hubzapfens. Die Erfindung betrifft auch eine Kurbelwelle mit wenigstens einem Hubzapfen, dessen Auflagerfläche für das Pleuellager durch spanabhebende Vor- und Fertigbearbeitung erzeugt und an wenigstens einer Seite zur benachbarten Kurbelwange hin von einem festgewalzten Einstich begrenzt wird.

Zur Erhöhung der Dauerfestigkeit der Kurbelwelle von Motoren für Kraftfahrzeuge wird ein Festwalzprozeß verwendet. Dabei werden harte Festwalzrollen mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm und einem Radius von annähernd 1,3 mm in die Einstiche der Lager, Haupt- und Hublager, der Kurbelwelle mit definierter Kraft gedrückt und erzeugen über eine plastische Verformung einen Druckeigenspannungszustand, der die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöht. Für die Einstiche, in denen das Festwalzen erfolgt, wird ein Teil der verfügbaren axialen Breite der vorgenannten Lager der Kurbelwelle benötigt. Nur ein geringerer Teil N der verfügbaren Breite B des jeweiligen Lagers steht als Auflager für das Pleuel oder die Lagerung im Motorblock zur Verfügung.

Moderne Kfz-Motoren sind hochbelastete Maschinen. Insbesondere in Dieselmotoren können im Zylinderraum Spitzendrücke in der Größenordnung von 190 bar auftreten.

Dementsprechend große Kräfte werden über das Pleuel auf die Kurbelwelle ausgeübt. Um die Flächenbelastung im Pleuellager gering zu halten, besteht der Wunsch, eine möglichst große Breite des Auflagers zwischen dem Hubzapfen und dem Pleuel zu nutzen. Die nutzbare Lagerbreite N des Auflagers des Hubzapfens ließe sich vergrößern, wenn man den Radius r der Festwalzrolle verringert. Damit einhergehend sinkt aber zugleich die durch das Festwalzen erzielbare Dauerfestigkeit, so dass eine Verkleinerung des Radius der Festwalzrolle keine Lösung des Problems bietet.

Die Steigerung der Dauerfestigkeit der Kurbelwelle ist insbesondere in jenem Bereich erforderlich, in welchem die vom Pleuel auf den Hubzapfen ausgeübten Kräfte über die Wangen der Kurbelwelle auf das benachbarte Hauptlager übertragen werden. Das ist der Bereich zwischen Hubzapfen und Kurbelwange in der oberen Totpunktlage des Hubzapfens.

Die größten Kräfte, die vom Pleuel auf den Hubzapfen ausgeübt werden, entstehen natürlich im Bereich des oberen Totpunkts. In diesem Bereich ist der Verschleiß des Pleuellagers beim Betrieb des Motors am größten. Dieser Bereich befindet sich annähernd in der oberen Totpunktlage des Hubzapfens, je nach dem ob der Zündzeitpunkt der oberen Totlage vor- oder nacheilt.

Eine integrierte, spanende Bearbeitung von Kurbelwellen ist beispielsweise mit einem in der DE 43 29 610 C2 gezeigten Bearbeitungszentrum durchführbar. Dort fehlen jedoch Einrichtungen für das für die Erhöhung der Dauerfestigkeit vorteilhafte Rollhärten. Eine solche Einrichtung wird in der DE 100 40 146 A1 vorgeschlagen. Eine fliegende Lagerung der Festwalzrollen und die Teilung des Werkzeugs bedingen eine erhöhte Beweglichkeit der Festwalzrollen. Daraus, dass so die Rollen den Fertigungstoleranzen besser folgen können, resultiert eine Erhöhung der Standzeit.

In der DE 22 09 945 A und dem zugehörigen Zusatz DE 24 48 118 A1. Wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle und die danach hergestellte Kurbelwelle vorgestellt. Die Lagerzapfen werden hier auf Übermaß, die Übergänge zu den Kurbelwangen auf Fertigmaß spanend vorgefertigt. Anschließend erfolgt ein induktives Härten der Übergänge zumindest im Überlappungsbereich zweier benachbarter Lagerzapfen, wobei die anschließend spanend nachzubearbeitenden Bereiche unberührt bleiben. Zuletzt unterzieht man die Lagerzapfen einer Rollhärtung. Die rollgehärteten Bereiche schließen dabei an die induktionsgehärteten Bereiche an. Insgesamt wird so unter Einsparung von Fertigungskosten dem Härteverzug und der Rißbildung beim Richten und nach außergewöhnlicher Erwärmung der Lagerzapfen entgegengewirkt.

Auch die DE 39 39 935 C2 schlägt ein bezüglich der durchzuführenden Fertigungsschritte und des Materialverbrauchs günstigeres Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle vor. Dazu werden sehr klein gewählte Eindrehungen am Übergang der Lauffläche zur Kurbelwange und die Anlaufflächen in einem Arbeitsgang auf Fertigmaß sowie gleichzeitig die Lauffläche des Lagers mit Schleifaufmaß in einem Arbeitsgang spanabhebend gefertigt. Durch den klein wählbaren Übergangsradius der Eindrehungen wird dabei insbesondere eine breitere Lauffläche erreicht. Anschließend werden alle Flächen induktionsgehärtet und abschließend die Lauffläche auf Fertigmaß geschliffen.

Keines der im Stand der Technik realisierten Verfahren bzw. keine der vorgestellten Kurbelwellen profitiert von den Vorteilen der Erhöhung der Dauerfestigkeit auch am Übergang zwischen Hubzapfen und Wange durch Festwalzen. Vielmehr bleiben die mit dem thermischen Härten verbundenen Probleme in diesem Übergangsbereich erhalten. So sind beispielsweise die durch die Wärmeeinbringung entstehenden oder frei werdenden Spannungen, die zu Rißbildung während der Fertigung und des Einsatzes führen können, dort stets vorhanden und müssen mit anderen Mitteln kompensiert werden.

Aus diesen Erkenntnissen und Erfahrungen ergibt sich die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, die nutzbare Breite des Auflagers für das Pleuel am Hubzapfen zu vergrößern. Dabei soll zugleich am Übergang zwischen Hubzapfen und Wange der Kurbelwelle die erforderliche Festigkeit erreicht werden beziehungsweise die Dauerfestigkeit noch erhöht werden. Schließlich sollen die dafür erforderlichen Maßnahmen mit geringstem Aufwand und auf wirtschaftliche Weise durchführbar sein.

Die Aufgabe kann auf zweierlei Weise gelöst werden. Im ersten Fall wird der Hub des Hubzapfens vergrößert, die Einstiche zu beiden Seiten der vorbearbeiteten Auflagerfläche konzentrisch zur Auflagerfläche eingearbeitet und festgewalzt und beim Fertigbearbeiten die Auflagerfläche auf einem Abschnitt ihres Umfangs bis annähernd zur Tiefe der Einstiche abgetragen.

Auf eine zweite Weise kann die Aufgabe dadurch gelöst werden, dass man bei vorgegebenem Hub des Hubzapfens die Einstiche zu beiden Seiten der vorbearbeiteten Auflagerfläche exzentrisch zur Auflagerfläche einarbeitet und festwalzt und beim Fertigbearbeiten die Auflagerfläche auf einem Abschnitt ihres Umfangs bis annähernd zur Tiefe der Einstiche abträgt.

In beiden Fällen wird man beim Fertigbearbeiten die Auflagerfläche auf einem Abschnitt abtragen, der im Bereich des oberen Totpunkts des Hubzapfen gelegen ist. Dieser Bereich kann seinen Mittelpunkt entweder unmittelbar im oberen Totpunkt haben oder demgegenüber um einen kleinen Winkel zu beiden Seiten des oberen Totpunkts versetzt sein, je nach dem wo die höchsten Kräfte vom Pleuel auf den Hubzapfen ausgeübt werden. Die genaue Lage des Bereichs richtet sich danach, ob der Zündzeitpunkt im Fahrzeugmotor vor oder hinter dem oberen Totpunkt des Hubzapfens gewählt ist.

Beträgt das Verhältnis der Breite N des Auflagers zur Breite B des Lagers bei Kurbelwellen üblicherweise

0,7 ≦ N/B ≦ 0,9

so strebt man das Verhältnis der feinbearbeiteten N" zur vorbearbeiteten Auflagerfläche N' zwischen

0,8 ≦ N"/N' ≦ 0,95

an.

Eine erfindungsgemäße Kurbelwelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Tiefe des Einstichs, der die Auflagerfläche zu beiden Wangen hin seitlich begrenzt, über einem Abschnitt des Umfangs der Auflagerfläche des Hubzapfens geringer ist als über dem übrigen Umfang. Insbesondere hat der Einstich in jenem Bereich seine geringste Tiefe, wo der obere Totpunkt des Hubzapfens gelegen ist.

Analog dazu kann man eine derartige Kurbelwelle aber auch auf die Weise beschreiben, dass die axiale Breite der fertigbearbeiteten Auflagerfläche des Hubzapfens über dem Umfang der Auflagerfläche unterschiedlich ist. Auch hier gilt, dass die axiale Breite der Auflagerfläche des Hubzapfens im Bereich des oberen Totpunkts am größten ist.

Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung, die

Fig. 1 eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens und

Fig. 3 die Abwicklung einer Auflagerfläche eines Hubzapfens.

Eine Kurbelwelle 1 besteht beispielsweise aus mehreren Hauptlagern 2 und mehreren Hubzapfen 3. Über die Kurbelwangen 4 und 5 ist der Hubzapfen 3 jeweils mit einem Hauptlager 2 verbunden. Die Breite B des Lagers des Hubzapfens 3 wird durch den axialen Abstand bestimmt, welchen die beiden Wangen 4 und 5 voneinander haben. In Folge der Einstiche 6 und 7, welche den Hubzapfen 3 zu den beiden Wangen 4 und 5 hin jeweils begrenzen, wird die verfügbare Breite N der verfügbaren Auflagerfläche 8 für das Pleuel (nicht gezeigt) eingeschränkt. Bei konstanter Breite der Einstiche 6 und 7 liegt das Verhältnis zwischen der Auflagerfläche 8 mit der Breite N zu einer theoretischen Fläche mit der Breite B entsprechend der Lagerbreite zwischen

0,7 ≦ N/B ≦ 0,9

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Vorbearbeitung der Kurbelwelle 1, welche zumeist spanabhebend erfolgt, der Hub h_v gegenüber einem normalerweise üblichen Hub h geringfügig vergrößert. Der Hub h ist der Abstand, den die Mittenachse 9 des Hubzapfens 3 von der Drehachse 10 des Hauptlagers 2 hat.

Im Falle der Fig. 1 erhält der Hubzapfen 3 bei der Vorbearbeitung der Kurbelwelle die äußere Kontur 11. Sodann werden die Einstiche 6 und 7 eingewalzt, deren Grund durch die Kontur 12 umschrieben wird, die konzentrisch zur Kontur 11 ist. Anschließend erfolgt die Feinbearbeitung des Hubzapfens 3, üblicherweise durch Schleifen oder eine andere geeignete Oberflächenbearbeitung, und es entsteht die Kontur 13, welche, wie man auf der linken Seite der Fig. 1 deutlich erkennen kann, gegenüber der Mittelachse 9 des Hubzapfens 3 exzentrisch ist. Im Zuge damit wird am Hubzapfen 3 im Bereich des oberen Totpunkts 14 der durch die schraffierte Fläche 15 dargestellte Materialabtrag geleistet, während auf der gegenüberliegenden Seite 16 nur noch der durch die schraffierte Fläche 17 dargestellte Materialabtrag geleistet wird. Durch den Materialabtrag 15 erhält die Auflagerfläche 8 im Bereich des oberen Totpunkts 14 eine nutzbare Breite von N'. Auf der gegenüberliegenden Seite 16 wird demgegenüber durch den Materialabtrag 17 nur noch eine nutzbare Breite der Auflagerfläche in der Größe von N" erzielt. Dabei kann man das Maß N" annähernd gleich dem Maß N setzen, da ja in dem Bereich 16 zwischen dem Hubzapfen 3 und den Wangen 4 und 5 die höchste Festigkeit angestrebt wird.

In der Abwicklung der Umfangsflächen gemäß Fig. 3 wird die theoretisch größte verfügbare Auflagerfläche durch die Breite B und die Abwicklung R der zylindrischen Umfangsfläche des Hubzapfens 3 mit dem Radius r erzielt.

Nach der Fig. 2 haben die Drehachse 10 und die Mittenachse 9 des Hubzapfens 3 einen vorgegebenen Abstand entsprechend dem Hub h voneinander. Bei der spanabhebenden Vorbearbeitung des Hubzapfens 3 wird die äußere Kontur 18 erzeugt. In diese äußere Kontur 18 werden zu beiden Seiten der Wangen 4 und 5 die Einstiche 19 und 20 eingebracht und festgewalzt. Gegenüber der Mittenachse 9 ist die Formgebung 21 der Einstiche 19 und 20 exzentrisch. Bei der anschließenden Fertigbearbeitung entsprechend der Kontur 22 wird wiederum eine Auflagerfläche 8 erhalten, wie sie auch bei der Bearbeitung nach der Fig. 1 erzielt wird.

Betrachtet man die Flächenverhältnisse in der Abwicklung nach der Fig. 3, so hat die Umfangsfläche 8 des Hubzapfens 3 jeweils eine Länge R. Multipliziert mit der Lagerbreite B erhält man die theoretisch größte mögliche Auflagerfläche R × B. Durch das Erfordernis der Einstiche wird diese größte mögliche Auflagerfläche R × B auf eine Fläche verringert, die durch die Abmessungen Breite N und Länge R definiert ist, also R × N beträgt. Das dementsprechende Flächenverhältnis zwischen der kleineren R × N und der größeren Fläche R × B liegt, wie bereits ausgeführt, zwischen 0,7 und 0,9.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Bereich des oberen Totpunkts 14 eine Verbreiterung der Auflagerfläche 8 entsprechend dem Maß N' erzielt. Der Flächengewinn 23 ist schraffiert dargestellt. Nach außen wird diese Fläche durch die gekrümmten Linien 24 begrenzt. Das Verhältnis zwischen den durch die unterbrochenen Linien 25 und die Breite N sowie der durch die gekrümmten Linien 24 und die Breiten N' bzw. N" vergrößerten Fläche beträgt zwischen 0,8 und 0,95.

Bezugszeichenliste

1

Kurbelwelle

2

Hauptlager

3

Hubzapfen

4

Wange

5

Wange

6

Einstich

7

Einstich

8

Auflagerfläche

9

Mittenachse Hubzapfen

10

Drehachse

11

äußere Kontur

12

Vorbearbeitung Einstiche

13

Kontur Fertigbearbeitung

14

oberer Totpunkt

15

Materialabtrag

16

gegenüberliegende Seite

17

Materialabtrag

18

äußere Kontur

19

Einstich

20

Einstich

21

Vorbearbeitung Einstiche

22

Kontur Fertigbearbeitung

23

Flächengewinn

24

Begrenzung

25

unterbrochene Linie
B Breite des Lagers
N Auflagerbreite
N' größte Auflagerbreite
N" kleinste Auflagerbreite
r Radius des Hubzapfens
h Hub
hv vergrößerter Hub
R Länge Umfangsfläche

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten von Hubzapfen einer Kurbelwelle durch spanabhebende Vor- und Fertigbearbeitung der Auflagerfläche für das Pleuellager des Hubzapfens dadurch gekennzeichnet, dass man
bei vergrößertem Hub (h_v) des Hubzapfens (3)
die Einstiche (6, 7) zu beiden Seiten der vorbearbeiteten Auflagerfläche (8) konzentrisch (12) zur Auflagerfläche (8) einarbeitet und festwalzt und
beim Fertigbearbeiten die Auflagerfläche (8) auf einem Abschnitt (14) ihres Umfangs (R) bis annähernd zur Tiefe der Einstiche (6, 7) abträgt.

2. Verfahren zum Bearbeiten von Hubzapfen einer Kurbelwelle durch spanabhebende Vor- und Fertigbearbeitung der Auflagerfläche für das Pleuellager des Hubzapfens, dadurch gekennzeichnet, dass man
bei vorgegebenem Hub (h) des Hubzapfens (3)
die Einstiche (19, 20) zu beiden Seiten der vorbearbeiteten Auflagerfläche (8) exzentrisch (21) zur Auflagerfläche (8) einarbeitet und festwalzt und
beim Fertigbearbeiten die Auflagerfläche (8) auf einem Abschnitt (14) ihres Umfangs (R) bis annähernd zur Tiefe der Einstiche (19, 20) abträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Fertigbearbeiten die Auflagerfläche (8) auf einem Abschnitt abträgt, der im Bereich des oberen Totpunkts (14) des Hubzapfens (3) gelegen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verhältnis der vorbearbeiteten (N) zur feinbearbeiteten (N', N") Auflagerfläche (8) zwischen 0,8 ≦ N/N'N" ≦ 0,9 festlegt.

5. Kurbelwelle, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2, mit wenigstens einem Hubzapfen (3), dessen Auflagerfläche (8) für das Pleuellager durch spanabhebende Vor- und Fertigbearbeitung erzeugt und an wenigstens einer Seite zur benachbarten Kurbelwange (4, 5) hin von einem festgewalzten Einstich (6, 7, 19, 20) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Einstichs (6, 7, 19, 20) über einem Abschnitt (14) des Umfangs (R) der Auflagerfläche (8) geringer ist als über dem übrigen Umfang (R).

6. Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Umfangs (R) der Auflagerfläche (8), wo der Einstich (6, 7, 19, 20) seine geringste Tiefe hat, im Bereich des oberen Totpunkts (14) des Hubzapfens (3) gelegen ist.

7. Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Breite (N', N") der fertigbearbeiteten Auflagerfläche (8) des Hubzapfens (3) über dem Umfang (R) unterschiedlich ist.

8. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Breite (N') der Auflagerfläche (8) des Hubzapfens (3) im Bereich des oberen Totpunkts (14) am größten ist.