DE2209945A1

DE2209945A1 - Verfahren zur herstellung einer kurbelwelle und danach hergestellte kurbelwelle

Info

Publication number: DE2209945A1
Application number: DE19722209945
Authority: DE
Inventors: Richard Sommer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1972-03-02
Filing date: 1972-03-02
Publication date: 1973-09-13
Also published as: NL7302921A; CH560088A5; DD103698A1; FR2174133A1; GB1417065A; FR2174133B1; IT977544B; BE795973A; SE387563B; JPS48101311A

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 89 Augsburg, StadtbachßStaiißLF ^;-7i7

P. B. 266? / I090 Augsburg, den 29. Februar I972

Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle und danach hergestellte Kurbelwelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen großen Dieselmotor, mit gehärteten übergängen zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen.

Durch Härten der übergänge zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen einer Kurbelwelle läßt sich die Belastbarkeit dieses Maschinenteils beträchtlich erhöhen. Zum Härten wird das Material jedoch bis in einen Temperaturbereich erhitzt, bei dem die mechanische Festigkeit sojweit abnimmt, daß im Material latent vorhandene, innere Spannungen frei werden können, die durch selbsttätige Verformungen im Material abgebaut werden. Durch diesen sogenannten Härteverzug entsteht ein bestimmter Schlag der Kurbelwelle, der ein Richten nötig macht.

Um das nachträgliche Richten einer Kurbelwelle mit gehärteten übergängen zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen möglich zu machen, ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1 022 427 bekannt, neben den Lagerzapfen nicht alle Übergänge zu härten, sondern lediglich einen Teil. Hierdurch soll er-

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reicht werden, daß die zum Richten der Kurbelwelle notwendigen Verformungen durch die ungehärteten Übergänge aufgenommen werden, während die gehärteten Übergänge von Verformungen freigehalten werden sollen. Beim Richten von derartigen Kurbelwellen besteht Jedoch die Gefahr, daß sich der Härteverzug durch Verformung in den ungehärteten Querschnitten nicht vollständig beseitigen läßt. Da außerdem das Richten großes Feingefühl und große Erfahrung des Riohtpersonals erfordert, kann dieser Arbeitsgang leicht fehlerhaft durchgeführt werden, wodurch Risse in den gehärteten Übergängen hervorgerufen werden können. Das Richten erfordert weiterhin einen großen Zeitaufwand. Dazu kommt noch, daß die maximal zulässigen Belastungen für die gehärteten und die ungehärteten Übergänge unterschiedlich sind.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle zu schaffen, nach dem der Schlagfehler einer an sämtlichen Übergängen zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen gehärteten Kurbelwelle mit geringem Aufwand nahezu vollständig beseitigbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zunächst die Lagerzapfen auf Übermaß vorbearbeitet und die Übergänge auf Endmaß fertigbearbeitet werden, dann zumindest ein Abschnitt jedes Übergangs gehärtet wird und darauf die weichen Lagerzapfen spanabhebend auf Sollmaß, Parallelität und,soweit sie auf einer Geraden liegen,auf Fluehtung fertigbearbeitet werden. Durch das Vorsehen von Härtezonen an allen Übergängen zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen neben weichen Lagerzapfen kommt einerseits die lebensdauererhöhende Wirkung von gehärteten Übergängen uneingeschränkt zum Tragen und andererseits wird die Möglichkeit einer einfachen spanabhebenden Fertigung nicht eingeschränkt. Die durch das Härten der Übergänge hervorgerufene, starke Qualitätsverbesserung der Kurbelwelle drängt den

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Einfluß des Grundmaterials sowie der Bearbeitungsgenauigkeit in den Hintergrund, so daß die Möglichkeit besteht, als Ausgangsmaterial ein weniger hochwertiges Material zu wählen und bei der Bearbeitung der Übergänge relativ große Toleranzen zuzulassen. Hierdurch wird eine sehr starke Verbilligung des Endprodukts und eine Verkürzung der Herstellzeit erreicht. Dadurch, daß an den weichen Zapfen in einem ersten Arbeitsgang eine Bearbeitungszugabe stehen gelassen wird, die erst nach dem Härten der Übergänge abgearbeitet wird, kann der beim Härten entstandene Verzug durch eine einfache, spanabhebende Bearbeitung vollkommen beseitigt werden. Dabei kann aufgrund des ungehärteten Zapfenmaterials bei jedem Durchgang ein relativ dicker Span abgenommen werden. Die spanabhebende Bearbeitung als letzter Arbeitsgang bietet zudem die Möglichkeit einer genauen überwachung mit einfachen Meßinstrumenten. Die Herstellung paralleler Oberflächen aller Lagerzapfen und fluchtender Oberflächen der auf einer Geraden angeordneten Lagerzapfen erfolgt somit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine einfache und billige spanabhebende Bearbeitung der weichen Lagerzapfen und macht eine erneute zur Ermüdung des Materials führende, spanlose Verformung überflüssig.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Lagerzapfen nach der Härtung der übergänge auf ihr endgültiges Maß feingedreht. Die Drehbearbeitung stellt einen außerordentlich einfach durchzuführenden Arbeitsgang dar, mit dem hohe Genauigkeiten erzielt werden können. Auf einen zeitraubenden Schleifbearbeitungsgang der Lagerzapfen, der bei gehärteten Zapfen angewandt werden muß, kann hierbei vollkommen verzichtet werden.

Bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten

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Kurbelwelle ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, daß die Übergänge zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen als Freistiche ausgebildet sind. Hierdurch lassen sich die nicht zu härtenden Laufflächen der Lagerzapfen in einfacher Weise von den Härtezonen in den Übergängen absetzen. Dadurch ist sichergestellt, daß die für eine spanabhebende Bearbeitung nach dem Härtungsvorgang vorgesehenen Teile völlig frei von Härtungserscheinungen bleiben.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kurbelwelle liegen die gehärteten Abschnitte im Überlappungsbereich zweier benachbarter Lagerzapfen. Damit wird die Belastbarkeit in dem Bereich erhöht, in dem die größte Belastung auftritt. Außerdem ergibt sich hierbei der zusätzliche Vorteil, daß die zum Härten einer auf der einen Seite einer Kurbelwange liegenden, durch einen Freistich gebildeten Hohlkehle aufgebrachte Wärme in den auf der anderen Seite der Kurbelwange liegenden Lagerzapfen hinein abgeleitet wird und somit örtlich begrenzte, thermische Überbelastungen vermieden werden.

Dadurch, daß beim Härten der Übergänge zwischen den gehärteten Abschnitten und den ungehärteten Laufflächen der Lagerzapfen ungehärtete Abstände vorgesehen werden,wird ein Freihalten der Laufflächen der Lagerzapfen von Härtungserscheinungen sichergestellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kurbelwelle anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

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Es zeigt · ^N

Figur 1 einen Ausschnitt aus einer nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kurbelwelle,

Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A

in Figur 1«

Mit 1 ist hierbei eine Kurbelwange bezeichnet, die einen ersten Lagerzapfen 2, beispielsweise einen Grundzapfen, mit einem zweiten, parallel versetzt angeordneten Lagerzapfen 5* beispielsweise einem Hubzapfen, verbindet. Die Grundzapfen dienen zur Lagerung einer Kurbelwelle In den Kurbelwellengrund« lagern, die Hubaapfen zur Aufnahme der Pleuellager. Am Übergang 4 zwischen dem Lagerzapfen 2 und der Kurbelwange 1 ist ein Freistich vorgesehen» Ebenso wird der übergang 5 zwischen dem Lagerzapfen 5 und der Kurbelwange 1 durch einen Freistich gebildet. Es ist aber auch eine ander® Ausführung, beispielsweise eine Hinterdrehung möglich. Durch die in einer Drehoperation in einfacher Weise herstellbaren Freistiche können in vorteilhafter Weise die an den Übergängen 4 und 5 auftreten» den erheblichen Kerbspannungen beträchtlich vermindert werden. Die übergänge zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen bleiben aber dennoch kritische Querschnitte. Zur Erhöhung der Bruchsicherheit ist deshalb am übergang 4 zwischen dem Lager« zapfen 2 und der Kurbelwange 1 eine Härtezone 6 vorgesehen^, die in ihrem Querschnitt etwa dem Spannungsverlauf in diesem Bereich entspricht. In gleicher Weise ist am Übergang 5 eine Härtezone ¹J vorgesehen. Die Härtezonen β und 7 laufen in axialer Richtung gesehen etwa im Bereich des kleinsten Durchmessers der Übergänge 4 und 5 aus, so daß zu den Lagerzapfen 2 bzw» 5

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aus ungehärteten Bereichen bestehende Abstände 8 bzw. 9 vorhanden sind. Die Abstände 8 und 9 können dabei sehr klein sein, es kommt lediglich darauf an, daß beim Abdrehen der Lagerzapfen gehärtetes Material nicht berührt wird. Die Härtezonen 6 und 7 können über den ganzen Umfang der übergänge 4 und 5 umlaufen oder lediglich, wie aus Figur 2 ersichtlich, in dem Bereich vorgesehen werden, in dem die Lagerzapfen 2 und 3 sich überdecken. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführung erwiesen, bei der die symmetrisch zur Verbindungslinie der Achsen der beiden Lagerzapfen 2 und J5 angeordneten Härtezonen 6 und 7 sich über einen etwas über den Überlappungsbereich hinausgehenden Winkelbereich erstrecken, in dem dargestellten Beispiel also etwa über 150°.

Als Ausgangsmaterial für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Kurbelwelle kann beispielsweise ein ftfeiformgeschmiedeter Rohling dienen. Die Verwendung eines hochwertigen, faserflußgeschmiedeten Ausgangsmaterials kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden. In einer ersten Drehoperation werden die Lagerzapfen 2 und 3 bis auf die bei 10 und 11 dargestellte Dicke abgedreht, sowie durch Freistiche von der Kurbelwange 1 abgesetzt. Für die Bearbeitung der Freistiche können große Toleranzen zugelassen werden, da durch die nachfolgende Härtung wenigstens eines Abschnitts jedes Übergangs die Belastbarkeit sojweit angehoben wird, daß der Einfluß der Oberfläche in den Hintergrund tritt. Zur Erzeugung der Härtezonen 6 und 7 werden die übergänge 4 und 5 induktiv erhitzt. Die induktive Erwärmung bietet den Vorteil, daß die Härtung örtlich begrenzt vorgenommen werden kann. Der beim Härten entstandene Verzug wird durch das nachträgliche Abdrehen der Lagerzapfen 2 und 3 auf die bei 12 bzw. 13 dargestelle, das Zapfensollmaß bildende Dicke vollkommen beseitigt. Außerdem können bei dieser Operation die Oberflächen aller La-

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gerzapfen genau parallel und die Oberflächen der auf einer Geraden angeordneten Lagerzapfen genau fluchtend bearbeitet werden. Durch die Wahl des Übermaßes zur Fertigbearbeitung der Lagerzapfen an der unteren Grenze, also in einem Bereich, der gerade dem Verzug der Kurbelwelle entspricht wird erreicht, daß einerseits der Schlagfehler der Kurbelwelle vollkommen beseitigbar ist und andererseits unnötiger Aufwand an Material und Zeit vermieden wird. Die Möglichkeit einer spanabhebenden Formgebung an einem weichen Material als letzte Fertigungsoperation, beispielsweise das Abdrehen der Lagerzapfen im Feindrehverfahren, führt auch noch in dem Fall, in dem ein relativ starker Verzug zu beseitigen ist, zu sehr günstigen Fertigungszeiten. Nach dem Abdrehen der Lagerzapfen können noch weitere spanabhebende Fertigungsverfahren, beispielsweise Schleifen oder Superfinisehen, zur Anwendung kommen.

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Claims

P. B. 2667 / 1090 . - 8 Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen großen Dieselmotor, mit gehärteten Übergängen zwischen den Lagerzapfen und den Kurbelwangen, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Lagerzapfen (2, 3) auf Übermaß vorbearbeitet und die Übergänge (4, 5) auf Endmaß fertigbearbeitet werden, dann zumindest ein Abschnitt jedes Übergangs (4, 5) gehärtet wird und darauf die weichen Lagerzapfen (2, 3) spanabhebend auf Sollmaß, Parallelität und,soweit sie auf einer Geraden liegen,auf Fluchtung fertigbearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungszugabe für die Pertlgbearbeitung der Lagerzapfen (2, 3) wenigstens dem beim Härten entstehenden Verzug entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerzapfen (2, 3) nach der Härtung der Übergänge (4, 5) ^auf ihr endgültiges Maß feingedreht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Härten der Übergänge (4, 5) zwischen den gehärteten Abschnitten und den ungehärteten Laufflächen der Lagerzapfen (2, 3) ungehärtete Abstände (8, 9) vorgesehen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, gekennzeichnet durch eine Induktionshärtung der Übergänge (4, 5).

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6. Kurbelwelle hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge (4, 5) zwischen den Lagerzapfen (2, J>) und der Kurbelwange (1) als Frei Stiche ausgebildet sind.

7. Kurbelwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der gehärtete Abschnitt jedes Übergangs (4, 5)

im Überlappungsbereich zweier benachbarter Lagerzapfen (2, 3) liegt.

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