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Einrichtung zum gleichmäßigen und/oder
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verzugsarmen induktiven Härten
Zapfen von Kurbelwellen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum gleichmäßigen
und/oder verzugsarmen induktiven Härten der 'Z,aprell von Kurbelwellen nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Beim induktiven Härten des Umfangs rotationssymmetrischer Teile wie
z.B. Kurbelwellenzapfen werden aufgrund physiko kalischer Gsetzmäßigkeiten die Wirbelströme
im Werkstück bevorzugt im radial an den Induktor angrenzenden Teil hervorgerufen
und diese Werkstückpartien bevorzugt aufgeheizt im Gegensatz zu axial oder halbaxial
an den Induktor an grenzenden Werkstückpartien. Um außer den zylindrischen Teil
auch diese letztgenannten Teile, z.B. die Ausrundungsteile von Kurbewellenzapfen
zu erfassen - angestrebt wird eine gleichmäßige Härte tiefe im zylindrischen und
im Ausrundungsteil - , müssen Sonderkonstruktiorlen von In duktoren mit sehr starkem
axial gerichteten Streufeld ver wendet werden. Sie enthalten lamellierte Streuanker9
die das magnetische Feld des Induktors teilweise axial aus richten. Diese Induktoren
stellen zum einen Sonderkon struktionen dar, die auf jeden einzelnen Zapfentw bzwO
auf
die dort vorliegenden geometrischen und Masseverhältnisse einer bestimmten Kurbelwelle
durch langwierige Optimierungsversuche individuell abgestimmt sein müssen; sie sind
also nur sehr begrenzt einsetzbar. Ferner sind diese Sonder-Induktoren aufgrund
ihrer individuellen Entwicklung und ihres komplizierten Aufbaus um ein vielfaches
teurer als übliche Induktoren ohne Eisenanker bzw.
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gezieltes Streufeld. Es kommt hinzu, daß aufgrund der starken Erwärmung
der lamellierten Streuanker im Betrieb die Isolation zwischen den Lamellen und zwischen
dem Anker und den stromführenden Teilen relativ schnell verschmort und die Induktoren
unbrauchbar werden, weil das Streufeld sich verändert. Es ist also ein laufender
Verschleiß der sehr teuren Sonder-Induktoren zu verzeichnen.
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Trotz In-Kauf-Nahme dieser Nachteile ist der Verlauf der Härtetiefe
in axialer und in Umfangsrichtung nur sehr beschränkt beeinflußbar.
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Beim Härten auch des Ausrundungsteiles von Kurbelwellenzapfen kommt
nämlich zu den genannten Schwierigkeiten noch hinzu, daß in die Ausrundungsteile
am Umfang unterschiedlich starke Wärmemengen eingetragen werden müssen, weil der
Wärmeabfluß ins Innere der Kurbelwelle am Umfang unterschiedlich stark ist. Angestrebt
wird eine gleichmäßig starke Erwärmung des Zapfens auch im Ausrundungsteil am gesamten
Umfang oder ein innerhalb eines Toleranzbereiches liegender gezielt exzentrischer
Verlauf der Härte tiefe zur Kompensation einer Verzugsneigungder Kurbelwelle. Während
die Gefahr eines am Umfang unterschiedlich starken Wärmeabflusses im zylindrischen
Teil des Zapfens weniger gegeben ist, fließt -im Ausrundungsteil des Zapfens im
Bereich der Wangen, d.h. bei
Hubzapfen auf der dem Rotationszentrum
der Kurbelwelle zugekehrt liegenden Seite vermehrt Wärme in die Wangen ab. Auf der
gegenüberliegenden Seite kommt es dagegen wegen der geringen Massenanhaurung nicht
zu einem Wärmeabfluß; dort besteht eher die Gefahr eines Wärmestaus.
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Man hat schon versucht, durch eine periodisch entspren chend den Kurbelwellenumlauf
unterschiedlich starke Erm regung der Sonder-Induktoren dem geschilderten Umstand
Rechnung zu tragen. Dadurch wird aber auch iniier0ialb des zylindrischen Teils am
Umfang unterschiedlich viel Wärme -in den Zapfen eingetragen, so daß der zylindrische
Teil des Zapfens am Umfang ungleichmäßig erwärmt ist. Zwar ist es denkbar, durch
Veränderung des axialen Koppelungsm abstandes des Induktors vom Ausrundungsteil
diesen unabhängig von der Erwärmung im zylindrischen Teil zu beeinflussen. Zum einen
sind dabei jedoch erhebliche Kompromisse bezüglich der Härtetiefe im zylindrischen
bzw. im Ausrundungsteil einzugehen. Zum anderen läßt sich dies aber auch allenfalls
bei einseitiger Härtung des Ausrundungsteiles anwenden. Im übrigen ist die Erwärmung
durch Veränderung des Koppelungsabstandes nur in sehr beschränktem Ausmaß beeinflußbar,
so daß bei hohen Aufheizleistungen, wie sie zur Erzielung von kurzen Taktzeiten
erforderlich sind, spürbare Abweichungen von der mittleren Aufheizleistung kaum
auf diese Weise darstellbar sind.
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In einer anderen bekannten Einrichtung zum induktiven
Härten
der Zapfen von Kurbelwellen bis in den Ausrundungsteil hinein (vgl. DE-OS 22 05
513) wird versucht, bei über den Umfang hinweg konstanter Heizleistung der Induktoren
den Wärmestau an bestimmten Umfangs stellen der Zapfen durch einen periodisch gesteuerten
Luftstrom zu beseitigen und so eine über den Umfang.hinweg gleichmäßige Erwärmung
des Zapfens auch im Ausrundungsteil zu bekommen. Mit einem Kühlluftstrom lassen
sich jedoch iur relativ geringe Wärmemengen abführen, so daß damit bei den heutigentags
erforderlichen hohen Heizleistungen sich nur sehr kleine Bruchteile davon abführen
lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausgestaltung der zugrundegelegten
Härteeinrichtung anzugeben, mit der auch bei hohen Heizleistungen die Zapfen von
Kurbelwe; len sowohl im zylindrischen als auch im Ausrundungsteil gleichmäßig und/oder
für die Kurbelwelle verzugsarm gehärtet werden können, ohne daß dafür unbequeme
Kompromisse im Härteverlauf der zu härtenden Oberflächenpartien eingegangen werden
müssen und ohne daß teure und störanfällige Induktoren mit gezieltem Streufeld dazu
erforderlich wären.
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Diese Aufgabc wird erfindungsgelnäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Dank der Afteilung der Induktoren für den zylindrischen
Zapfenteil zum einen und für den Ausrundungsteil des Zapfens zum anderen können
diese Induktoren einzeln und unabhängig voneinander in erheblichem Ausmaß in ihrer
Wärmeentwicklung beeinflußt werden, sind dabei jedoch einfach und robust im Aufbau.
Durch eine individuelle Grundeinstellung der Heizleistung für jeden einzelnen Induktor
kann
der axiale Verlauf der Härtetiefe bestimmt bzw. optik miert
werden. Eine Einflußnahme auf den Härtetiefenverlauf in Umfangsrichtung ist gesondert
davon und für jeeii einzelnen axialen Abschnitt des Zapfens für sici - z.B. Ausrundungsteil
links und/oder Ausrundwlgstei rechts - durch eine mit dem Kurbelwellenumlauf periodische
Veränderung der Grundleistung möglich.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung können
den Unteransprüchen bzw0 der nachfolgen den Beschreibung eines in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden; dabei zeigen: Fig. 1 und 2
Querschnitt (Fig.l) und teilweisen Längsschnitt (Fig.2) einer Anordnung zum Härten
des Hubzapfens einer Kurbelwelle bis in den Ausrundungsteil hinein gemäß der Erfindung
und Fig. 3 den Längsschnitt durch den Hub zapfen einer Kurbelwelle mit gleichmäßiger
Härtung bis in den Ausrundungsteil hinein.
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Die in den Figuren wenigstens teilweise dargestellte Kurbelwelle 1
weist Hauptlagerzapfen 2 und Hub zapfen 3 mit jeweils einem zylindrischen Teil 4
und einem Ausrundungsteil 5 auf. Axial zwischen den einelnen Zapfen sind Wangen
10 angeordnet, die im Übergangsteil zu den Zapfen noch einen Anlaufbund 6 tragen,
Die Zapfenoberfläche ist bis in den Ausrundungsteil hinein gleichmäßig tief am Umfamg
gehärtet - Härtezone 7. Aufgrund der gleichlnäf3ig tiefen Härtung wird die Kurbelwelle
nur wenig beim Härten verzogen
so daß unter Umständen ein nachträgliches
Richten entbehrlich sein kann oder zumindest wesentlich rascher als bei einem großen
Verzug vonstatten gehen kann.
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Im Bereich des Ausrundungsteils 5 sind gewisse Umfangsstellen 9, die
der Wange 10 und dem liauptlagerzapfen 2 zugekehrt liegen, an denen eine gewisse
Massenanhäufung zu verzeichnen ist und an denen demgemäß örtlich eine höhere Wärmespeicherkapazität
und ein höherer Wärmeabfluß zu verzeichnen ist als an anderen, insbesondere den
gegenüberliegenden Umfangsstellen 8 des Ausrundungsteils; diese stellen Bereiche
besonders geringen Wärmeabflusses dar.
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Zur induktiven Erwärmung des Zapfens sind auf diesen Induktoren aufgesetzt,
die diesen mit geringem Spalt halbschalenförmig umschließen (Umschlingungswinkel
14). Din Induktoren sind. über Anschlüsse 15 und über nicht dargestellte Transformatoren,
die im unmittelbaren Bereich der Induktoren angeordnet sind, an steuerbare Generatoren
angeschlossen, die ebenfalls nicht gezeichnet sind.
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Die Kurbelwelle ist in einer ebenfalls nicht dargestellten Anordnung
langsam drehbar gehaltert, so daß der Induktor die ganze Umfangsfläche des Zapfens
bestreicht.
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Dabei kann der Kurbelwellenumlauf zentrisch zum Hauptlagerzapfen 2
sein - die Induktoren des Hubzapfens müssen in diesem Fall nachgeführt werden; die
Kurbelwelle kann aber auch exzentrisch gespannt werden, so daß ein zentrischer Umlauf
bezüglich des Hubzapfens möglich ist.
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Erfindungsgemäß sind zur gleichmäßigen Härtung des zylidrischen und
des Ausrunaungsteiles mehrere Induktoren 11 und 12 bzw. 13 an einem zu härtenden
Zapfen angebracht.
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Und zwar ist ein Zylinderteil-Induktor 11 vorgesehen, der lediglich
den zylindrischen Teil 4 des Zapfens erfafSt Außerdem sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ein rechter und ein linker Ausrundungsteil-Induktor 12 bzw 13 an dem zu härtenden
Zapfen vorgesehen, die spiegelbildlich zueinander ausgebildet und angeordnet sind.
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Dem Zylinderteil-Induktor ist über einen Transformator ein steuerbarer
Generator und den beiden Ausrundungsteil-Induktoren ist ein davon gesonderter ebenfalls
steuerbarer Generator zugeordnet, so da die beiden verschiedenen Arten von Induktoren
unabhängig voneinander elektrisch in ihrer Wärmeentwicklung steuerbar sind. Dadurch
kann die Härtetiefe in axialer Richtung bis in den Ausrundungsteil hinein gleichmäßig
tief ein justiert werden. Außerdem kann trotz hoher Heizleistungell und trotz eines
am Umfang unterschiedlich starken Wärmeabflusses im Bereich der Ausrundungen eine
gleichmäßige Erwärmung mit gleichmäßiger Härtetiefe im ganzen Zapfen sowohl in axialer
als auch in Umfangsrichtung erzielt werden.
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Stattdessen wäre ebenso gut auch eine gezielte Exzentrizität der Härtetiefe
darstellbar, deren Abweichungen von einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Härtetiefe
zwar noch innerhalb eines zulässigen Bereiches liegen, mit der aber bei gezielter
und optimierter Anwendung eine etwaige Verzugsneigung der Kurbelwelle kompensiert
werden kann.
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Zur Erzielung einer gleichmäßigen und/oder verzugsarmen Härtung der
Kurbelwelle werden die Grundheizleistungen der einzelnen Induktoren individuell
so eingestellt, daI3 in axialer Richtung sich eine gleichmäßige Erwärmung des ganzen
Zapfens bis in den Ausrundungsteil hinein ergibt.
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Darüber hinaus wird der Zylinderteil-Induktor 11 mit im wesentlichen
konstanter elektrischer Leistung durchflossen, wogegen die Ausrundungsteil-Induktoren
periodisch entsprechend den Kurbelwellenumlauf unterschiedlich stark gespeist werden.
Und zwar wird beim Durchlauf der Ausrundungsteil-Induktoren durchdie Umfangsstelle
8, wie es gerade in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, eine geringere Leistung
an dem zugeordneten Generator eingestellt, wogegen beim Durchlauf der Induktoren
durch die gegenüberliegende Umfangsstelle des Ausrundungsteiles eine höhere Heizleistung
eingestellt sein muß. Diese Veränderung der Leistungsabgabe des Generators für die
Ausrurdingsteil-Induktoren kann vom Umlauf der Kurbelwelle gesteuert werdon.
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Selbstverständlich braucht lediglich an denjenigen Stellen ein gesonderter
Ausrundungsteil-Induktor vorgesehen werden, an denen der Ausrundungsteil des Zapfens
gehärtet werden soll. Es ist stattdessen auch eine einseitige Abschaltung eines
der beiden Ausrundungsteil-Induktoren denkbar.
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Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen
die beiden Wangen 10 gleichsinnig parallel.
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Dementsprechend sind die beiden Ausrundungsteil-Induktoren 12 und
13, die ebenfalls gleichsinnig parallel nebeneinander liegen, p1iase:igleich periodisch
schwankend zu speisen.
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Bei der Härtung eines Hauptlagerzapfens können jedoch andere Verhältnisse
vorliegen, weil die beiden an einen Jlauptlagerzapfen angrenzenden Wangen sich meist
radial in unterschiedliche Richtungen vom Hauptlagerzapfen wegerstrecken. Bei einer
solchen Anordnung können zwei Ausrundungsteil-Induktoren wenigstens annähernd lagegleich
am
Umfang angeordnet werden, die jedoch dann mit einem dem Winkelabstand
der zugeordneten Wangen entsprechenden Phasenunterschied in ihrem Leistungsverlauf
steuerbar sein müssen. Dies setzt für jeden der beiden Ausrundungsteil-Induktoren
jeweils einen gesonderten Transformator und einen gesonderten steuerbaren Generator
oder eine Umschalter uöglichkeit in der Energieversorgung voraus.
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Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausfüirungsbeispie1 mit zwei gesonderten
spiegelbildlich zueinander ausgebildeten und angeordneten Ausrundungsteil-Induktoren
neben -einem unabhängigen Zylinderteil-Induktor, die alle drei individuell in ihrer
Heizleistung einstellbar sind, dieses Ausführungsbeispiel also hat den Vorteil,
daß der Dreier-Satz von Induktoren universell einsetzbar ist, Mit ihm können alle
durchmessergleichen Zapfen einer Kurm belwelle nacheinander gleichmäßig gehärtet
werden unter der Voraussetzung, daß beim Übergang von der Härtung des einen Zapfens
auf den nächsten der Programm-Satz fiir das Steuern der drei Induktoren ebenfalls
gewechselt wird, was beim heutigen Stand der Maschinenbautechnik ohne roen Aufwand
möglich ist, Die Programm-Sätze können durch eine mit der Kurbelwelle umlaufenden
Steuerwalze mechanisch vorgegeben sein und abgetastet werden. Denkbar wäre die Programme
auf einem elektronischen Datenträger abzug speichern und mit dem Werkstück einen
eletrischen Drehwinkelgeber umlaufen zu lassen, der den Programmen die Drehlage
des Werkstückes vermittelt. In den einzelnen den verschiedenen Zapfen einer Kurbelwelle
zugeordneten Pro- -gramm-Sätzen für den universellen Dreier-Satz von Induktoren
ist sowohl die jeweilige Grundheizleistung eines Jeden Induktors, als auch der periodisch
schwankende Anteil der Heizleistung enthalten und vorgegeben. Wird
beispielsweise
an einem der Zapfen aus bestimmten Gründen lediglich die Härtung des einen der beiden
Ausrundungsteile des Zapfens gewünscht, so wird der nicht benötigte AusrundungsteileInduktor
bei diesen Zapfen einfach nicht beheizt. Die Verwendbarkeit eines Dreier-Satzes
von Induktoren nach dem Vorbild der Figuren 1 und 2 hängt nicht vom Kurbelwellentyp,
sondern nur vom Zapfendurchmesser ab; axiale Zapflängenunterschiede können in Grenzen
ausgeglichen werden.
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Selbstverständlich können bei Anordnung einer entsprechenden Anzahl
von Sätzen von Induktoren und unter der Voraussetzun-g, daß jedem Induktor jeweils
ein Transformator und ein steuerbarer Generator zugeordnet ist, alle Zapfen einer
Kurbelwelle gleichzeitig gehärtet werden. Wird auf eine individuelle Steuerbarkeit
jedes einzelnen Ausrundungsteil-Induktors verzichtet, so können beide Ausrundungsteil-Induktoren
mittelbar über Transformatoren an einen gemeinsamen steuerbaren Generator angekoppc;1't
sein.
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Bei einseitiger Härtung eines Ausrundungsteiles kann dann trotzdem
der nicht benötigte Induktor abgeschaltet werden.
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Die beiden gegenüberliegenden Ausrundungsteil-Induktoren 12 und 13
sind jeweils dadurch gebildet, daß - im Radiaschnitt gesehen - ein V-förmig gebogener
wassergekühlter Stromleiter mit der Spitze keilförmig in die Ausrundung gerichtet
ist. Anstelle eines breiten in Umfangsrichtung sich erstreckenden Stromleiters kann
auch eine Vielzahl elektrisch parallel liegender fächerförmig nebeneinander angeordneter
Stromleiter vorgesehen sein. Wird eine lediglich einseitige Härtung des Ausrundungsteiles
eines Zapfens, also eine universelle Verwendbarkeit des Ausrundungsteil-
Induktors
nicht gefordert, so kann dieser auch durch einen oder mehrere im Radialschnitt W-förmige
oder sternförmige Stromleiter gebildet werden, die gewissermaßen zwei elektrisch
in Serie liegende V-förmige Stromleiterkanten aufweisen, die jeweils in die entsprechendenAusrundungen
gerichtet sind. Bei Verwendung dieser "siametischen" Zwillings-Induktoren sind allerdings
die Heizleistungen nur für beide Ausrundungsteile gemeinsam elektrisch steuerbar.
Lediglich einer den Koppelungsabstand nach rechts oder links kann in engen Grenzen
eine etwaige ungleiche Erwärmung ausgeglichen werden. Dafür bietet ein solcher Zwil--lings-Induktor
gegenüber einer Anordnung nach Fig.l oder 2 den Vorteil eines einfacheren und raumsparenderen
Aufs baues.
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Die Vorteile der Erfindung liegen in einem zuverlässig gleichmäßigen
und/oder verzugsarmen Härten der Kurbelwelle len, also in einem besseren Produkt
und in der Verwendung von einfachen, billigen und robusten sowie universell verwendbaren
Induktoren. Dadurch köllnebn nicht nur d-ie .Laufenden Kosten der teuerer urid nasch
versfllle:ií3endell Sonder-Induktoren, sondern auch Umrüstzeitexl zur Erneuerung
schadhafter Induktoren eingespart werden, was auf eine indirekte Erhöhung der Produktion
hinausläuft. Durch den Wegfall oder eine Verkürzung des Richtens der Kurbelwellen
wird ebenfalls die Produktivität gegenüber der Verfahrensweise mit ungleichmäßiger
Kurbelwellenhärtung erhöht,
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