DE10202564A1

DE10202564A1 - Verfahren zum Fest- und Richtwalzen von Kurbelwellen

Info

Publication number: DE10202564A1
Application number: DE2002102564
Authority: DE
Inventors: 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: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: DE10202564B4; WO2003061866A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fest- und Richtwalzen von Kurbelwellen. Dabei werden zunächst an einer Kurbelwelle (1) Werte über das Verformungsverhalten der Kurbelwelle beim Festwalzen in einem festgelegten Bereich eines Lagers bestimmt. Sequentiell werden die Bereich aller Lagerstellen festgewalzt und die jeweilige Verformungsänderung in Form einer Matrix in einem Rechner abgelegt. Anhand der so bestimmten Kennwerte der Kurbelwelle (1) wird mit einem mathematischen Verfahren diejenige Kombination von Festwalzkräften bestimmt, die der Kurbelwelle (1) eine gewünschte Endform gibt. Dies ist im Regelfall eine möglichst kleine Verformung. Anfangsverformungen der Kurbelwelle (1) werden einbezogen. Mit dieser Kombination von Festwalzkräften werden alle übrigen Kurbelwellen (1) festgewalzt. Neben einem einstufigen Verfahren ist auch ein zweistufiges Verfahren möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fest- und Richtwalzen von Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fest- und Richtwalzen von Kurbelwellen aus einer Serie von Kurbelwellen, die sowohl im Hinblick auf ihre jeweilige Formgestalt als auch im Hinblick auf den Werkstoff, woraus die Kurbelwellen bestehen, und gegebenenfalls auch im Hinblick auf die Vorbearbeitung, welche die Kurbelwellen vor dem Fest- und Richtwalzen erfahren haben, untereinander gleich sind.

Aus der EP 0 299 111 B1 sind beispielsweise ein Verfahren und Einrichtung zum Richten von Schlag aufweisenden Kurbelwellen bekannt. Das bekannte Richtverfahren ist besonders günstig in der Serienfertigung anzuwenden. Dabei kann durch Versuche zu Beginn der Serienfertigung ermittelt werden, an welchen Stellen und in welcher Größe Druckeigenspannungen in die Kurbelwelle eingebracht werden müssen, um an dieser Kurbelwelle den gewünschten Richteffekt zu erzielen. Sind die hierzu notwendigen Daten erst einmal bekannt, können diese Daten von einer entsprechenden Einrichtung als festes Programm abgearbeitet werden. Die notwendige Einrichtung wird dann besonders einfach in ihrem Aufbau. In einem solchen Fall kann die Einrichtung auf entsprechende Prüfmittel und Messmittel zur Erfassung des Ist-Zustandes der Kurbelwelle verzichten und es müssen auch keine Einrichtungen vorhanden sein, die das jeweilige Richtergebnis überprüfen. Eine Stichprobenkontrolle reicht hierfür vollständig aus. Nach dem bekannten Verfahren werden örtlich begrenzt durch Verfestigung im Randschichtenbereich des Werkstücks, hier der Kurbelwelle, im verfestigten Bereich Druckeigenspannungen eingebracht mindestens zur Minderung des Schlages (vgl. EP 0 299 111 B1, Spalte 5, Zeilen 6 bis 30 und Spalte 12, Zeilen 47 bis 52).

Demnach wird bekanntermaßen bei einer bereits festgewalzten Kurbelwelle, die Betonung liegt hier auf dem verfestigten Bereich, durch weitergehende Verfestigung in einem örtlich begrenzten Bereich das Richten der Kurbelwelle bewirkt. Das Richten erfolgt also im Anschluss an das Festwalzen und beides kann in einer Aufspannung in ein- und derselben Maschine geschehen.

Ausgehend von der Erkenntnis, dass sich gleichartige Kurbelwellen durch das Festwalzen gleichartig verhalten, das heißt etwa in der gleichen Richtung verbiegen, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, das bekannte Fest- und Richtwalzverfahren zu verbessern. Dabei sollen nicht mehr Druckeigenspannungen in die Kurbelwelle eingebracht werden als unbedingt nötig. Das Fest- und Richtwalzen soll in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen. Die Kurbelwelle soll so weit wie möglich geschont werden und das gesamte Verfahren sowie die zu dessen Durchführung erforderlichen Einrichtungen sollen besonders einfach und wirtschaftlich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die einzelnen Verfahrensschritte des Hauptanspruchs gelöst. Im Einzelnen geht man dabei so vor, dass man die erste Lagerstelle wenigstens auf einem Teilabschnitt ihres Umfangs mit einer ersten Festwalzkraft festwalzt. Der Teilabschnitt kann so gewählt werden, dass er auf einen Teil des Umfangs der Lagerstelle beschränkt bleibt oder aber auch dass der Umfang mehrere Male überwalzt wird. In derselben Weise fortschreitend werden sodann alle interessierenden Teilbereiche der ersten und nachfolgend aller anderen Lagerstellen der Kurbelwelle mit einer vorgegebenen Festwalzkraft festgewalzt.

Die Zeilen der Matrix {H_i}, denen die Verbiegungen H_ix und H_iy zugeordnet sind, beschreiben das Biegeverhalten der Kurbelwelle zufolge der an den Lagerstellen abschnittsweise angreifenden Festwalzkräfte.

Unter der Annahme eines näherungsweise linearen Last- Verbiegungsverhaltens der Kurbelwelle wird durch ein mathematisches Iterationsverfahren ein Kraftvektor F_n so bestimmt, dass die Verbiegung der Kurbelwelle an allen Hauptlagern wenigstens annähernd einen gewünschten, d. h. vorgegebenen Betrag erreicht.

Mit dem auf diese Weise gefundenen Kraftvektor F_n werden sodann alle weiteren Kurbelwellen der zu bearbeitenden Serie festgewalzt.

Bei dem Verfahren fällt eine erhöhte Anzahl von Messwerten an, die anschließend in die Steuerung der Fest- und Richtwalzmaschine einfließen. Die Bewältigung entsprechender Zahlenmengen zum Erstellen eines Programms für die Steuerung einer Fest- und Richtwalzmaschine ist mit den neuzeitlichen Algorithmen und Speicherkapazitäten von Rechnern unproblematisch und ausreichend schnell. Mit den Mitteln der Erfindung erfolgt das Fest- und Richtwalzen in einem einzigen oder höchstens zwei Arbeitsgängen, wodurch sich die Taktzeiten verringern. Auch werden Nacharbeiten vermieden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 2 walzt man die Kurbelwelle zur genaueren Kenntnis ihres Verbiegungsverhaltens zwischen zwei Kraftstufen nochmals in gleicher Weise mit einem um einen konstanten Faktor, typisch zwischen 1,1 und 1,4, erhöhten Lastvektor fest und bestimmt die Matrix {H_i} für diese Kraftänderung und kann somit den Kraftvektor, der die Kurbelwelle wie gewünscht richtet, genauer bestimmen. Das hierbei benutzte mathematische Iterationsverfahren ist das Gradientenverfahren.

Es reicht aus, die Festwalzkraft F_n in einem verhältnismäßig eng begrenzten Bereich zu verändern, welcher der Mindestfestwalzkraft F_min und dem 1,4-fachen dieses Wertes entspricht. Dabei ist die Mindestfestwalzkraft F_min jene Kraft, die erforderlich ist, um die notwendige Steigerung der Dauerfestigkeit der Kurbelwelle zu erreichen. Beispielsweise wird F_max = 1,4 × F_min durch die Festigkeit der Werkzeuge und die zulässige Tiefe der Einwalzung begrenzt.

Es ist hilfreich, die Werte einer eventuell vorhandenen anfänglichen Verbiegung der Kurbelwelle in das Verfahren mit einzubeziehen. Dabei wird in Betracht gezogen, dass eine Kurbelwelle nach ihrer Herstellung so gut wie niemals vollständig gerade ist. Da das Verfahren von der Verarbeitung einer großen Zahl von Messwerten lebt, bedeutet die Eingabe der Ursprungswerte einen zusätzlichen Vorteil.

Der beschrittene und bisher beschriebene mathematische Lösungsweg besteht darin, aus dem Vektor der Verformung der Hauptlager zufolge eines Vektors von Festwalzkräften ein eindimensionales Qualitätskriterium durch Quadrieren oder Potenzieren und Addition der so gewonnenen Werte zu bilden, dessen Minimum im mathematischen Iterationsverfahren zur Bestimmung der Festwalzkräfte angestrebt wird. Bei der Bestimmung des Qualitätskriteriums werden Werte unterhalb einer bestimmten Grenze eliminiert. Der Kraftvektor F, mit dem nun die der gegebenenfalls erfolgenden Messung der Anfangsverformung nachfolgende Festwalzoperation erfolgt, ist derjenige, bei dem das Qualitätskriterium den gewünschten minimalen Wert erreicht und die ursprüngliche Verformung berücksichtigt ist. Mit den verfügbaren neuzeitlichen Rechenanlagen sind solche Operationen ohne weiteres möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen die
Fig. 1, eine nicht-maßstäbliche, schematische Darstellung einer Kurbelwelle,
Fig. 2, die Matrix der Verbiegungen,
Fig. 3, die Matrix der Verbiegungen in den beiden Achsrichtungen x und y,
Fig. 4, eine aus tatsächlichen Messwerten gebildete Matrix und den zugehörigen Algorithmus.
Die Fig. 1 zeigt das Schema einer Kurbelwelle 1 für einen 6-Zylinder PKW-Motor. Im Motorblock (nicht gezeigt) ist die Kurbelwelle 1 an den Hauptlagern H₁ bis H₇ mehrfach gelagert. Die Pleuel des imaginären Motors sind an den Pleuellagern P₁ bis P₆ der Kurbelwelle 1 gelagert.
Zwischen den Lagerstellen H und P befinden sich jeweils die Wangen 2 der Kurbelwelle 1. Jede der Lagerstellen H und P wird zu beiden Seiten von einem Einstich oder Radius 3 begrenzt.
Mit Hilfe eines Festwalzwerkzeugs (nicht gezeigt) werden nacheinander die Einstiche oder Radien 3 von allen Lagerstellen H und P der Kurbelwelle 1 mit einer Festwalzkraft F_i festgewalzt. Anschließend wird die Verbiegung H_i der Kurbelwelle 1 an allen Hauptlagern H₁ bis H₇ gemessen.
Die folgenden Messschritte werden gegangen:

1. Messschritt

Die Kraft F_i walzt an H₁ und gemessen werden die Verbiegungen H an allen Hauptlagern H₁ bis H₇. Man erhält die Messwerte: H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆ und H₇.

2. Messschritt

Die Kraft F_i walzt an P₁ und gemessen werden die Verbiegungen H an allen Hauptlagern H₁ bis H₇. Man erhält die Messwerte: H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆ und H₇.

3. Messschritt

Die Kraft F_i walzt an H₂ und gemessen werden die Verbiegungen H an allen Hauptlagern H₁ bis H₇. Man erhält die Messwerte: H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆ und H₇.
usw. bis

13. Messschritt

Die Kraft F_i walzt an H₇ und gemessen werden die Verbiegungen H an allen Hauptlagern H₁ bis H₇. Man erhält die Messwerte: H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆ und H₇.
Die Messwerte werden zu einer Matrix zusammengestellt; die einzelnen Messwerte bilden die Elemente dieser Matrix, Fig. 2.
Die bei den einzelnen Messschritten gemessenen Verbiegungen H sind alle unterschiedlich; am einfachsten stellt man sich die unterschiedlichen Messwerte in der Fig. 2 mit Hilfe von unterschiedlichen Farben vor. Das ist anschaulicher, als die unterschiedlichen Verbiegungsvektoren H durch Indizes näher zu kennzeichnen, wie das an sich im Rechner gemacht wird. Selbstverständlich walzt man nur wenige Testkurbelwellen auf diese Weise fest, um die Matrix H_i mit den Verbiegungswerten zu bestimmen. In der Festwalzmaschine erfolgt das Festwalzen von Haupt- und Pleuellagern gleichzeitig.
Die Erfindung macht sodann einen weiteren Schritt, den man wie folgt erklären kann:
"Erfolgt das Festwalzen einer Lagerstelle i unabhängig vom Festwalzen einer Lagerstelle j - mit i ? j - so gilt das Superpositionsprinzip. Das heißt, zu der durch das Festwalzen der Lagerstelle i erhaltenen Verbiegung H_i der Kurbelwelle 1 addiert sich die durch das Festwalzen der Lagerstelle j erhaltene Verbiegung H_j. Dabei ist es auch möglich, dass sich die durch das Festwalzen der Lagerstelle j erzielte Verbiegung H_j ganz oder teilweise von der durch das Festwalzen der Lagerstelle i erhaltenen Verbiegung H_i subtrahiert."
Da die Verbiegungen H nur an den sieben Hauptlagern H₁ bis H₇ gemessen werden, sind für die im Beispiel genannte Kurbelwelle sieben Messschritte erforderlich, entsprechend sieben Messstellen. Demgegenüber gibt es dreizehn Walzstellen entsprechend der Summe aus den sieben Hauptlagern H_i und den sechs Pleuellagern P_i. Hinzu kommt noch ein weiterer Messschritt, welcher die Verbiegungen H der Kurbelwelle 1 vor dem Festwalzen enthält.
Zur rechnerischen Verarbeitung bildet man aus den erhaltenen Messwerten H_i eine Matrix, Fig. 2. Darin ordnet man den Spalten der Matrix die sieben Messstellen H₁ bis H₇ und den Zeilen die vierzehn Walzstellen H₁ bis H₇ und P₁ bis P₆ zu, indem man die Messwerte H₁ der Kurbelwelle 1 vor dem Festwalzen vereinbarungsgemäß den Messwerten H_i nach dem Festwalzen hinzufügt und somit gleichsetzt. Die Zuordnung der Zeilen der Matrix darf auch von der Reihenfolge der Messschritte abweichen, wie das in der Fig. 2 erkennbar ist.
Jeder der gemessenen Vektoren H_i beschreibt die Verbiegung der Kurbelwelle 1 an einer der Messstellen H₁ bis H₇. Im Verfahren wird nunmehr jeder Vektor H_i in die beiden Komponenten H_i.cos ö + H_i.sin ö = H_i zerlegt, wobei der Winkel ö die Lage der jeweiligen Verbiegung H_i in einem Quadranten angibt, der vorab der Vermessung der Kurbelwelle 1 zugrundegelegt wurde. Infolge der vektoriellen Zerlegung verdoppelt sich die Anzahl der Zeilen in der Matrix und man erhält eine x-Anteil, H_ix, entsprechend H_i.cos ö und einen y-Anteil, H_iy, entsprechend H_i.sin ö Aus diesen Werten bildet man die erweiterte Matrix der Fig. 3. Diese Matrix {H} = (H_nxy) enthält 14 × 2 × 7 = 196 Elemente.
Durch Multiplikation der Matrix {H} = (H_nxy) mit dem Spaltenvektor

und die getrennte Addition der x- und y-Elemente der einzelnen Zeilen der Matrix {H} = (H_nxy) erhält man den Verlagerungsvektor U_{(x, y)}, welcher der gesamten Verbiegung U der Kurbelwelle 1 unter Beaufschlagung mit der Walzkraft F_i entspricht. Jedes Element des Vektors F ist dabei im Prinzip das Verhältnis der gewählten Walzkraft zur Festwalzkraft, mit der die Matrix {H} bestimmt wurde; ist also eine dimensionslose Zahl. Die Elemente der Matrix {H} haben naturgemäß die Dimension einer Verformung. Damit erhält man folgenden Term:

{H} × {F} = {U}

F entspricht dem Spaltenvektor

und wird aus rechnerischen Gründen zunächst = 1 gesetzt, beziehungsweise man erhält:
Tatsächlich ist F_i = 1 die minimale Walzkraft, die man aufbringen muss, um die erforderliche oder vorgegebene plastische Verformung an den Einstichen oder Radien 3 der Lagerstellen H₁ bis H₇, und P₁ bis P₆ an den Wangen 2 der Kurbelwelle 1 zu erzielen.
Im Rahmen von tatsächlich durchgeführten Messungen wurden die in der Fig. 4 in der Form eines Matrizen-Algorithmus dargestellten Ergebnisse erhalten.
Die in der Fig. 4 dargestellte Matrix zeigt den Verbiegungsvektor U der Messstellen H unter dem Lastvektor F: U = H × F.
Ist Ui mit U_xi und U_yi die rechnerische Verbiegung aus H_xiFmin und H_yiFmin infolge des Festwalzens mit einem Lastvektor F = f × Fmin, mit f = 1, so erhält man die Verbiegung U_j mit U_xj und U_yj aus H_xjF und H_yjF unter einem Lastvektor F = f × F_min, bei dem f = 1 ist. Die Koeffizienten f werden iterativ wie Gradienten festgelegt. f = 1 ist nicht möglich, da beim Festwalzen an den Lagerstellen H₁ bis H₇ und P₁ bis P₆ eine vorgegebene Mindestverformung erreicht werden muss.
Gesucht wird nun eine Kombination von Festwalzkräften, die an den einzelnen Lagerstellen einen gewünschten Verformungszustand, im Regelfall möglichst kleiner Beträge, erzeugt. Es werden also die Koeffizienten f_il bis f_in gesucht, die bewirken, dass beispielsweise

- U eine gewünschte Größe aber die entgegengesetzte Richtung einer Verbiegung H hat, die durch einen vorangegangenen Fertigungsprozess in die Kurbelwelle 1 eingetragen wurde und/oder
- U einen Wert annimmt, der im Bereich 0 liegt.

Mit Hilfe des Gradientenverfahrens wird nun im Beispiel wie folgt vorgegangen:
Man modifiziert jeden Koeffizienten f_i um etwa 10% und bestimmt die zugehörige Änderung des Qualitätskriteriums, z. B. der Summe aller Quadrate der gemessenen Verformungen. Nachdem alle Koeffizienten durchgerechnet wurden, bestimmt man diejenige Wertekombination, die die günstigste Änderung verspricht. Davon ausgehend iteriert man wiederum bis die Änderung der Werte in der gewünschten Richtung bei einem Iterationsschritt ausreichend klein ist.
Mit dem auf diese Weise gefundenen Kraftvektor werden die übrigen Kurbelwellen der Serie festgewalzt.
Das Fest- und Richtwalzen nach dem Verfahren kann sowohl in einem einzigen Arbeitsschritt wie auch in zwei getrennten, aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten erfolgen. Bezugszeichenliste 1 Kurbelwelle
2 Wange
3 Einstiche oder Radien
F_i Festwalzkraft
H_i Verbiegung
U₁ Verbiegung
H₁ bis H₇ Hauptlager
P₁ bis P₆ Pleuellager

Claims

1. Verfahren zum Fest- und Richtwalzen von Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren durch Festwalzen von Einstichen oder Radien, welche die Haupt- und Pleuellager jeweils zu beiden Seiten der Lagerstelle begrenzen, mit einem Festwalzwerkzeug, das unter der Wirkung einer Festwalzkraft an den Einstichen oder Radien der Lagerstellen jeweils eine örtlich begrenzte plastische Verformung am Werkstoff der Kurbelwelle bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass man
beginnend an einem Ende von einer ersten Kurbelwelle aus einer Serie von gleichartigen Kurbelwellen
die erste Lagerstelle mit einer ersten Festwalzkraft festwalzt und dazu
die Vektoren der Verbiegungen an allen Hauptlagern misst, sodann
in derselben Weise fortschreitend nacheinander alle anderen Lagerstellen der Kurbelwelle mit derselben Festwalzkraft festwalzt und dazu
die jeweiligen Vektoren der Verbiegungen an allen Hauptlagern misst,
aus den Vektoren der Messungen eine Matrix H_i bildet,
deren Spalten die Hauptlager H_i mit i = 1 bis n und
deren Zeilen die Verbiegungen H_ix und H_iy zugeordnet sind,
die Elemente H_ix und H_iy der Matrix H_i mit dem Vektor F_i = 1 der ersten Festwalzkraft multipliziert, um den Vektor U_i = 1 der Verbiegung der Kurbelwelle zu erhalten,
wenigstens eine zweite gleichartige Kurbelwelle in der gleichen Weise mit einer zweiten Festwalzkraft F_i ? 1 festwalzt, eine Matrix H_i ? 1 bildet, um den Vektor U_i ? 1 der Verbiegung der Kurbelwelle zu erhalten,
durch Vergleich der Verbiegungen U_i = 1 und U_i ? 1 jene Festwalzkraft F_n bestimmt, bei welcher die Verbiegung U_n der Kurbelwelle einen gewünschten Betrag erreicht und daraufhin
mit der Festwalzkraft F_n die Einstiche der Radien von weiteren Kurbelwellen derselben Serie festwalzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Festwalzkraft F_n in Schritten zwischen 1 = n = 1,4 variiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verbiegungen der Kurbelwelle vor dem Festwalzen als Elemente in die Matrix eingefügt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die einzelnen Elemente H_ix, H_iy von wenigstens einer Matrix H_i wenigstens einmal mit sich selbst multipliziert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Elemente unterhalb eines vorgegebenen Mindestwertes aus der Matrix eliminiert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Festwalzkraft F_n an wenigstens einer Lagerstelle verändert.