DE1583329B1

DE1583329B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhoehung der Torsionsdauerfestigkeit induktiv gehaerteter Kurbelwellen

Info

Publication number: DE1583329B1
Application number: DE19671583329
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Friedhelm Reinke; Dr-Ing Gerhard Seulen
Original assignee: AEG Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 1967-10-06
Filing date: 1967-10-06
Publication date: 1970-08-27
Also published as: US3510928A; GB1219364A; FR1553456A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf das induktive tung auf die Öllochbohrung zu in ihrer Stärke stetig

Härten von Kurbelwellen, insbesondere aber auf ein zunimmt. Nach einem bevorzugten Merkmal der

Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen die Erfindung wird die Oberflächenhärteschicht in Rich-

Torsionsdauerfestigkeit induktiv gehärteter Kurbel- tung auf die Öllochbohrung zu derart verstärkt, daß wellen erhöht werden kann. 5 die Innenfläche der Öllochbohrung durchgehend mit

Es ist bereits seit langem bekannt, zur Verbesse- einer Härteschicht versehen ist.

rung der Verschleißfestigkeit die Oberflächen der Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Innenfläche

Lagerstellen, d. h. der Hub- und Mittellagerzapfen der Öllochbohrung lediglich bis zu einer Tiefe des

an Kurbelwellen mit einer Härteschicht zu versehen. Ölloches induktiv zu härten, die kleiner als der halbe Für diese Zwecke wird derzeit fast ausschließlich das io Zapfendurchmesser ist.

induktive Härteverfahren angewandt. Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Ver-

Es sind weiterhin induktiv gehärtete Kurbelwellen fahren soll vorteilhafterweise eine Vorrichtung angebekanntgeworden, deren Härteschichten sich nicht wandt werden mit zwei bei der Härtung der Kurbelüber die in erhöhtem Maße auf Verschleiß bean- welle nacheinander wirksam werdenden Induktoren spruchten Lagerflächen erstrecken, sondern bei 15 unterschiedlicher Breite. Beide Heizschleifen bzw. denen die Härteschichten sich in Hohlkehlen zwi- Induktoren sind bezüglich elektrischer Leistung, sehen Lagerzapfen und Wangen hinein und sogar Frequenz und Heizdauer unabhängig voneinander darüber hinaus bis in den sogenannten Anlaufbund- steuerbar.

bereich hinein erstrecken. Solche Härteschichten ver- An Hand der Abb. 1 bis 4 soll die Erfindung leihen den Kurbelwellen eine stark erhöhte Dauer- 20 näher erläutert werden,

biegefestigkeit. A b b. 1 und 2 zeigen jeweils das Hublager einer

Die in dieser Weise induktiv gehärteten Kurbel- Kurbelwelle, das mit unterschiedlichen Härteschich-

wellen haben sich in der Praxis gut bewährt; denn ten versehen ist;

es ist dadurch gelungen, die derart gehärteten, an- A b b. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur sonsten aber unveränderten Kurbelwellen für Motore 25 Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren; in

wesentlich höherer Leistung zu verwenden, als dies A b b. 4 ist als Diagramm die zeitlich beispielsweise

mit gehärteten Kurbelwellen möglich gewesen wäre. den Induktoren zugeführte elektrische Leistung auf-

Insbesondere durch die Mithärtung der Hohlkehlen gezeigt.

ist eine Erhöhung der Dauerbiegefestigkeit an Kur- In Abb. 1 ist das Teil einer Kurbelwelle zu erkenbelwellen von etwa 80 bis 100 °/o erzielt worden. 3° nen, bei dem ein Hublager 1 mit den Kurbelwangen 2

Es hat sich nun gezeigt, daß bei derartigen in der vollständig gezeigt ist. Zu beiden Seiten des Hub-Dauerbiegefestigkeit erheblich verbesserten Kurbel- lagers setzt die Kurbelwelle sich sodann in bekannter wellen als kritischster Kurbelwellenteil bei Über- Weise in den Mittellagern 3 fort. Jedes Lager, d. h. lastungen der Bereich der Öllochbohrungen an den also Mittel- und Hublager sind mit Bohrungen, so-Mittellager- und Hublagerzapfen anzusehen ist. Bei 35 genannten Öllöchern 4 versehen, die — wie aus unzulässig hoher statischer oder dynamischer Be- A b b. 1 ersichtlich — geradlinig oder auch schräg anspruchung treten hier zuerst Torsionsdauerbrüche durch die Lager verlaufen können. Die Grenze zwiauf, die wohl auf die Volumenverringerung im Be- sehen induktiv gehärtetem und ungehärtetem Bereich reich der Öllochbohrungen zurückzuführen sind. ist in Abb. 1 durch eine gestrichelte Linie angezeigt,

Bisher ist es noch nicht möglich gewesen, die 40 d. h. daß Zone 5 induktiv gehärtet ist. Die Härte-Anfälligkeit der induktiv hohlkehlengehärteten Kur- zone 5 zu beiden Seiten des Hublagers im Anlaufbelwellen mit bekannten Mitteln zu verringern. Zwar bundbereich umfaßt den Bereich der Hohlkehlen ist beispielsweise schon versucht worden, durch Er- und nimmt von dort ausgehend auf die öllochbohzeugung einer hohen Oberflächengüte an Ölloch- rung 4 stetig zu. Die in A b b. 1 gezeigte Härtezone 5 rändern oder durch nachträgliche Kaltverfestigung 45 auf der Oberfläche des Hublagers durchsetzt das die Ursache für die Torsionsdauerbrüche zu be- Hublager im Bereich der Öllochbohrung vollständig, seitigen. Wenn ein solches Verfahren in der Serien- Die gesamte Innenfläche der Öllochbohrung ist demfertigung mit dem gewünschten Erfolg durchgeführt nach oberflächengehärtet,
werden soll, ist ein zu hoher Aufwand nötig. Nicht so bei dem Hublager nach Abb. 2; dort

Auch haben Versuche, die Aufgabe durch Ver- 50 nimmt die Härtezone 5 gleichfalls zur Öllochboh-

wendung höherlegierter Stähle zu lösen, nicht den rung 4 hin stetig zu, sie dringt jedoch im Bereich

gewünschten Erfolg gezeigt, da solche Maßnahmen der Öllochbohrung nicht so tief in das Hublager ein.

zu einer Verteuerung des Erzeugnisses führen, nicht Die Innenfläche ist somit nicht auf der gesamten

nur, weil der Werkstoff selbst teurer ist, sondern da Länge der Öllochbohrung oberflächengehärtet,

auch für die Bearbeitung höhere Kosten aufzuwen- 55 In welcher Weise und mit welchen Mitteln das

den sind. neue Härteverfahren ausgeübt werden soll, ist aus

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, A b b. 3 ersichtlich. Dort sind über der induktiv zu die Torsionsdauerfestigkeit aus schwach legierten härtenden Lageroberfläche 6, die in abgewickelter oder unlegierten Stählen hergestellten Kurbelwellen Form gezeichnet ist, zwei Induktoren bzw. zwei Heizzu verbessern. Sie betrifft ein Verfahren zur Er- 60 schleifen eines Induktors angeordnet. Die Heizschleihöhung der Torsionsdauerfestigkeit von Kurbelwel- fen bzw. Induktoren 7 und 8 weisen unterschiedliche len, deren Lagerflächen gegebenenfalls einschließlich Breite auf. Als Induktoren sind die Bauelemente 7 der Hohlkehlen zwischen Lagerzapfen und Seiten- und 8 bekanntlich dann zu bezeichnen, wenn sie wangen induktiv gehärtet sind. mechanisch voneinander getrennt sind. Mit unter-Erfindungsgemäß werden die Lagerzapfen von den 65 schiedlicher elektrischer Leistung, unterschiedlicher Hohlkehlen ausgehend — erforderlichenfalls unter Frequenz zu verschiedenen Zeiten beaufschlagte Einbeziehung derselben — mit einer solchen induktiv Heizleiter können dagegen durchaus in einem Ingehärteten Oberflächenschicht versehen, die in Rieh- duktorgehäuse angeordnet sein.

Bei der nachfolgenden Beschreibung wird daher der Einfachheit wegen davon ausgegangen, daß es sich bei 7 und 8 um Heizleiterschleifen handelt. Es ist aber statt dessen auch die Verwendung von zwei Induktoren möglich.

Nach A b b. 3 sind die beiden unterschiedlichen breiten Heizleiterschleifen 7 und 8 über je einen von Zeitgebern 9 und 10 gesteuerten Schalter 11 und 12 mit einem elektrischen Mittelfrequenzgenerator verbunden. In den meisten Fällen jedoch werden die Heizleiterschleifen an verschiedene elektrische Generatoren angeschlossen sein, die sich insbesondere auch durch die abgegebene Frequenz unterscheiden können.

A b b. 4 zeigt, daß der Bereich um die öllochbohrung 4 herum zunächst vorgeheizt wird und bei Erreichen der Härtetemperatur an der Oberfläche bis zur Erzeugung der gewünschten Erwärmungszone isotherm weitergeheizt wird. Die isotherme Heizung kann dabei teilweise durch den zweiten Induktor erfolgen, dessen Hauptaufgabe jedoch die Oberfiächenheizung der gesamten Lagerfläche gegebenenfalls unter Einbeziehung der Hohlkehlen ist. Die Staffelung der Erwärmungszeiten soll dabei so erfolgen, daß ein Abschrecken aus der gemeinsamen Wärme möglich ist.

Die Durchführung der induktiven Aufheizung der zu härtenden Oberfläche soll in der Weise vor sich gehen, daß zunächst die schmale Heizleiterschleife 7 während der Zeitspanne ΐ_λ mit geringerer Leistung N₁ vom Generator G beaufschlagt wird, wie dies aus dem Diagramm gemäß A b b. 4 ersichtlich ist. Nach Ablauf der Zeit t₁ wird der Schalter 11 geöffnet und der Schalter 12 geschlossen. Die Heizleiterschleife 8 wird nun während der Zeit t„ vom Generator G mit der elektrischen Leistung N₂ beaufschlagt. Wenn Leistung, Frequenz, Zeit und die Form der Heizleiterschleifen richtig gewählt gewesen sind, dann ist nach Ablauf der Zeitspanne t_x -r U die Lagefläche in der aus der A b b. 1 oder 2 ersichtlichen Weise induktiv erhitzt, und durch Abschrecken mittels eines flüssigen oder gasförmigen Mediums kann in an sich bekannter Weise das Härten erfolgen.

Gute Ergebnisse dürften erzielt werden, wenn die Heizleiterschleife 7 mit elektrischer Energie niedrigerer Frequenz als Heizleiterschleife gespeist wird. Auch dann ist durchaus möglich, daß die Speisung aus dem gleichen elektrischen Generator erfolgt; denn bei den nunmehr auch für die Abgabe höherer Leistungen herstellbaren Wechselrichter mit Thyristoren ist die Frequenz der Ausgangsspannung in gewissen Grenzen einfacher auf unterschiedliche Werte einstellbar als bei den bisher verwendeten statischen oder dynamischen Mittelfrequenzgeneratoren.

Claims

Patentansprüche:

L. Wärmebehandlungsverfahren zur Erhöhung der Torsionsdauerfestigkeit von Kurbelwellen, bei dem die Lagerflächen gegebenenfalls einschließlich der Hohlkehlen zwischen Lagerzapfen und Seitenwangen induktiv gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberflächenschicht (5) mit einer stetig von den Seitenwangen (2) zu der Öllochbohrung (4) zunehmenden Stärke induktiv auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und abgeschreckt wird.
2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenhärteschicht (5) in Richtung auf die Öllochbohrung (4) zu derart verstärkt wird, daß die Innenfläche der Öllochbohrung (4) durchgehend mit einer Härteschicht versehen ist.
3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Öllochbohrung (4) bis zu einer Tiefe des Ölloches induktiv gehärtet wird, die kleiner ist als der halbe Zapfendurchmesser.
4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei bei der Härtung der Kurbelwelle nacheinander wirksam werdende Induktoren (7, 8) unterschiedlicher Breite.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Heizleiterschleifen bzw. Induktoren (7, 8) bezüglich elektrischer Leistung, Frequenz und Heizdauer unabhängig voneinander steuerbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen