DE3737601A1

DE3737601A1 - Method for the production of built-up crankshafts by expansion of the pins

Info

Publication number: DE3737601A1
Application number: DE19873737601
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Maus; Helmut Swars
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1987-11-05
Filing date: 1987-11-05
Publication date: 1989-05-18

Abstract

Separately produced crank webs (1) and bearing pins (2) are connected to one another by plastic expansion of the latter, the former being subjected to stress only in the elastic range. Bearing bushes (4) composed of a material which is particularly suitable for this purpose (e.g. lubricant-impregnated sintered material), sliding (6) or rolling bearings (7) and undivided connecting rods (5) are mounted on the bearing pins (2) even before assembly and, as a result, the connecting rods are easier to install and they can be of lighter-weight design and aligned more accurately. In addition to lower weight, more economical manufacture and a longer service life are achieved. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Kurbelwellen für kleinere Kolbenmaschinen, insbesondere Otto- und Diesel-Motoren werden oft aus Guß oder im Gesenk geschmiedet einstückig hergestellt; die Zapfen werden anschließend mechanisch bearbeitet und schließlich gehärtet. Dadurch, daß diese Arbeiten an dem ansonsten fertigen Werkstück ausgeführt werden müssen, sind sie verhältnismäßig aufwendig. Kurbelwellen für größere Motoren werden dagegen aus Einzelteilen aufgebaut, wie sie unter Berücksichtigung der fertigungstechnischen Möglichkeiten zur Verfügung stehen; typische Lösungen zeigen die DE-B-16 25 579, wo die Trennungslinie zwischen den Einzelteilen durch die Wangen verläuft und die DE-B-20 23 364, wo die Zapfen geteilt sind. Durchweg werden die Einzelteile durch Schweißen miteinander verbunden; dies gilt selbst dann, wenn die Kurbelwelle aus aneinandergesetzten Blechpreßlingen aufgebaut werden soll (DE-C-4 98 170). Dem Fachmann ist auch bekannt (DE-C-8 48 728), daß die Kurbelwelle zur Gewichtsersparnis hohl ausgeführt werden kann und zu Zapfen und Wangen jeweils unterschiedliche Werkstoffe genommen werden können, deren jeder den spezifischen, unterschiedlichen Belastungen besser gewachsen ist, denen diese Bauteile ausgesetzt sind. Aus der DE-A-19 22 488 ist der Einsatz einer der Verbesserung der Haftung zwischen den durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbundenen Einzelteilen dienende Zwischenschicht bekannt. Die DE-A-19 51 097 zeigt, daß vor dem Zusammenbau der Einzelteile auf eines derselben (hier den Lagerzapfen) ein fertiges Antriebselement (hier ein Zahnrad) aufgeschoben und befestigt werden kann. Der gleichen Schrift kann der Fachmann auch den Vorschlag entnehmen, die Einzelteile an den Trenn flächen so auszubilden, daß sie vor dem Verschweißen ineinander geschoben werden können, um eine Montagehilfe zu bieten.The present invention relates to a method according to the General term of the 1st claim. Crankshafts for smaller ones Piston engines, especially petrol and diesel engines often made in one piece from cast or drop-forged; the pins are then machined and finally hardened. Because this work on the otherwise they are finished workpiece relatively expensive. Crankshafts for larger engines are built from individual parts, however, as under Consideration of the manufacturing possibilities To be available; typical solutions are shown in DE-B-16 25 579, where the dividing line between the individual parts through the Cheeks runs and DE-B-20 23 364 where the tenons are split are. The individual parts are consistently welded connected with each other; this applies even if the Crankshaft made up of pressed sheet metal parts should be (DE-C-4 98 170). The skilled person is also known (DE-C-8 48 728) that the crankshaft is hollow to save weight can be performed and on tenons and cheeks respectively different materials can be taken, each of which the specific, different loads better has grown to which these components are exposed. From the DE-A-19 22 488 is the use of an improvement of the Adhesion between those by electron beam welding interconnected individual parts serving intermediate layer known. DE-A-19 51 097 shows that before assembly of the Individual parts on one of them (here the bearing pin) finished drive element (here a gear) pushed on and can be attached. The skilled person can use the same font also take the suggestion, the individual parts to the separator Form surfaces so that they are interlocked before welding can be pushed to provide assembly assistance.

Zur Verbindung der Kurbelwelle mit den Kolben werden durchweg geteilte Pleuel verwendet, die gleichfalls verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung sind und besondere Aufmerksamkeit bei der Montage erfordern, um einen einwandfreien Rundlauf der Zapfen zu gewährleisten; dies besonders, wenn statt der vielfach verwendeten Gleitlager an dieser Stelle Wälzlager eingesetzt werden sollen. Das Befestigen von Rohren in Bohrungen anderer Teile durch Aufweiten ersterer ist aus dem Wärmetauscherbau bekannt, wobei sowohl mechanische als auch hydraulische Aufweitvorrichtungen Verwendung finden.To connect the crankshaft to the pistons are consistently split connecting rods, which are also proportional are complex to manufacture and require special attention during assembly require a perfect concentricity of the Ensure cones; especially if instead of plain bearings frequently used at this point should be used. Fastening pipes in Drilling other parts by expanding the former is from the Heat exchanger construction known, both mechanical and hydraulic expansion devices are used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von aufgebauten Kurbelwellen, bei denen für die einzelnen Teile Werkstoffe gewählt werden können, die den zu erwartenden unterschiedlichen, spezifischen Belastungen besonders angepaßt sind. Die Einzelteile sollen dabei vor dem Fügen fertig bearbeitet sein, so daß bis auf ein Richten und Feinwuchten keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kurbelwellen sollen mit einfacher anzubringenden Schmierkanälen versehen sein und ggf. auch gute Notlaufeigenschaften aufweisen. Durch den mit der Herstellung gleichzeitig einhergehenden Einbau von Antriebselementen, wie Lagern und Pleueln sollen diese zugleich vereinfacht und in ihren Laufeigenschaften verbessert werden.The object of the present invention is an inexpensive one Process for the production of assembled crankshafts which materials can be selected for the individual parts, the expected different, specific Loads are particularly adapted. The items should be finished before joining, so that except for one Straightening and fine balancing no post-processing is required. Those produced by means of the method according to the invention Crankshafts are said to have easier to install lubrication channels be provided and if necessary also good emergency running properties exhibit. By the same with the production accompanying installation of drive elements such as bearings and Conrods should be simplified and in theirs at the same time Running properties can be improved.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angegebenen Schritte. Durch die elastische Verformung der Wangen federn diese nach beendetem Aufweitvorgang auf die Zapfen zurück, wodurch eine Verbindung geschaffen wird, die auch den hohen zu übertragenden Momenten standhält. Eine stoff- oder formschlüssige Verbindung ist dann in der Regel nicht mehr erforderlich.This problem is solved by the in the characteristic Part of the 1st claim specified steps. Through the elastic deformation of the cheeks spring them after the end Widening process back on the pegs, creating a connection is created that also the high moments to be transmitted withstands. A material or positive connection is then usually no longer required.

Der Aufweitvorgang verlangt die Wahl verhältnismäßig duktiler Werkstoffe für die Zapfen. Diese können in herkömmlicher Weise einer anschließenden Oberflächenhärtung unterzogen werden, doch erscheint ein Vorgehen nach dem 2. Anspruch vorteilhafter. Für die Lagerbuchsen kann dann ein im Hinblick auf seine Lager eigenschaften, z. B. seine Härte optimierter Werkstoff gewählt werden. Der Aufweitvorgang der Zapfen wird so durchgeführt, daß die Lagerbuchsen zwar in ihrer Lage fixiert, doch keinen oder nur geringen elastischen Verformungen unterzogen werden.The expansion process requires the choice to be relatively ductile Materials for the cones. These can be done in a conventional manner undergo subsequent surface hardening, however a procedure according to claim 2 appears more advantageous. For The bushings can then be one with regard to its bearings properties, e.g. B. selected its hardness optimized material will. The expansion of the cones is carried out so that the bearing bushes fixed in their position, but none or undergo only slight elastic deformations.

Entsprechend der im 3. Anspruch vorgeschlagenen Ausgestaltung der Erfindung können bereits vor dem Fügen ungeteilte Wälzlager auf die Zapfen aufgebracht werden. Da das Fügen ohne Wärmeeinwirkung und ohne die auch bei fortschrittlichen Schweißverfahren nicht ganz zu beseitigende Gefahr des Auswurfes von Material aus der Schweißstelle abläuft, werden die Lager hierbei nicht gefährdet.Corresponding to the configuration proposed in the third claim the invention can be undivided rolling bearings before joining be applied to the cones. Since joining without Exposure to heat and without that even with advanced Welding process risk of not being completely eliminated Ejection of material from the welding point expires the bearings are not endangered.

Entsprechend dem im 4. Anspruch gemachten Vorschlag können, ggf. gleichzeitig mit den oben vorgeschlagenen Wälzlagern auch ungeteilte Pleuel auf die Zapfen aufgeschoben werden. Da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kurbelwellen soweit verbessert sind, daß ihre Lebensdauer nicht mehr der begrenzende Faktor für die Dauerhaftigkeit der ganzen Maschine darstellt, kann auf die dann fehlende Reparierbarkeit durch Auseinandernehmen der Pleuel verzichtet werden.According to the proposal made in claim 4, if necessary at the same time as the roller bearings proposed above undivided connecting rods are pushed onto the pins. Since the crankshafts produced by the method according to the invention are so far improved that their lifespan is no longer the limiting factor for the durability of the whole machine represents the lack of repairability Disassembling the connecting rods can be dispensed with.

Die im 5. Anspruch vorgeschlagene Materialwahl für die Lagerbuchsen gewährleistet bei Verwendung von Gleitlagern eine gleichmäßige, gut dosierbare Schmierung der Lagerflächen. Das Sintermaterial bietet darüber hinaus gemäß dem 6. Anspruch die Möglichkeit, gewisse Mengen an einem Festschmierstoff zu speichern, der bei Ausfall der eigentlichen Ölversorgung den Lagern gewisse Notlaufeigenschaften vermittelt. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 8. Anspruch kann zwischen den zu fügenden Flächen der Zapfen und Wangen eine Dichtstoffschicht vorgesehen sein, um die zweckmäßigerweise als durchgehende Nuten ausgeführten Schmierölkanäle nach den Enden abzudichten. In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens gemäß dem 9. Anspruch wird eine Dichtschicht aus Weichmetall, z. B. Kupfer verwendet.The proposed material in the 5th claim for the Bearing bushes guarantees a when using plain bearings uniform, easy to dose lubrication of the bearing surfaces. The Sintered material also offers according to the 6th claim Possibility to add certain amounts of a solid lubricant save the if the actual oil supply fails Store certain emergency running properties conveyed. After a further embodiment of the invention according to claim 8 one between the surfaces of the pins and cheeks to be joined Sealant layer can be provided to the expediently as continuous grooves of lubricating oil channels to the ends to seal. According to a further embodiment of this method the 9th claim is a sealing layer made of soft metal, for. B. Copper used.

In einer im 10. Anspruch definierten Variante des Verfahrens werden die Zapfen über ihre gesamte Länge aufgeweitet und die Lagerbuchsen ebenfalls elastisch verformt. Es wird ein besonders inniger Verbund zwischen Lagerbuchsen und Zapfen erreicht. In einer Abwandlung dieses Verfahrens gemäß dem 11. Anspruch wird durch das Einpressen der Lagerbuchsen in die dafür vorgesehenen Bohrungen der Wangen eine vorläufige, als Montagehilfe dienende Verbindung geschaffen, die durch das anschließende Aufweiten des Zapfens abgelöst wird.In a variant of the method defined in claim 10 the cones are expanded over their entire length and the Bearing bushes also elastically deformed. It will be a particularly close bond between the bearing bushes and the journal reached. In a modification of this method according to the 11th Claim is made by pressing the bearing bushes into the provided holes in the cheeks a preliminary, as Assembly aid serving connection created by the subsequent expansion of the pin is detached.

Diese Verfahrensart eignet sich weniger für Lagerbuchsen aus verhältnismäßig hartem und sprödem Werkstoff, da dessen Oberfläche bei elastischer Aufweitung zur Rißbildung neigt. Hierfür bietet sich die Variante gemäß dem 12. Anspruch an, nach der nur diejenigen Teile der Lagerbuchsen mit aufgeweitet werden, die in die Bohrungen der Wangen hineinragen und deren Oberfläche somit nicht als Lagerfläche benötigt wird. Diese Fläche könnte z. B. bei der vorhergehenden Härtung der Lagerbuchsen ausgespart werden. Die Verwendung von mit Bunden versehenen Lagerbuchsen gemäß dem 13. Anspruch schafft sowohl einen Anschlag beim Einführen in die Bohrungen der Wangen und versteift sie darüber hinaus so, daß die Auswirkungen der elastischen Verformung an den Enden sich nicht dem mittleren, als Lager genutzten Teil mitteilen.This type of procedure is less suitable for bearing bushes relatively hard and brittle material, because of that Surface with elastic expansion tends to crack. The variant according to the 12th claim lends itself to this, after which only those parts of the bearing bushes are widened that protrude into the holes in the cheeks and their Surface is therefore not required as storage space. These Area could e.g. B. in the previous hardening of Bearing bushes can be left out. The use of with frets provided bushings according to the 13th claim creates both a stop when inserting into the holes in the cheeks and also stiffens them so that the effects of elastic deformation at the ends not the middle, Communicate the part used as a warehouse.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwarAn embodiment of the invention is in the drawing shown, namely

Fig. 1 ausschnittsweise im Längsaxialschnitt, Fig. 1 fragmentary, longitudinal,

Fig. 2 in einem Ausschnitt aus der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und Fig. 2 in a detail from FIG. 1 on an enlarged scale and

Fig. 3 einen anderen Ausschnitt im Längsaxialschnitt. Fig. 3 shows another section in the longitudinal axial section.

Die Kurbelwelle besteht aus einer Anzahl von Wangen 1, die in bezug auf ihre konstruktive Ausgestaltung und den Werkstoff so optimiert werden, daß das günstigste Verhältnis von Gewicht zu Biegesteifigkeit erreicht wird. Die Wangen 1 sind mit Bohrungen versehen, in die Lagerzapfen 2 aus einem besonders duktilen Material mit geringem Spiel hineingesteckt werden. Anschließend werden sie mit Hilfe einer teils aufgebrochen gezeichneten Sonde 3 aufgeweitet, die über einen Kanal 31 mit Druckfluid versorgt wird, das in durch Dichtungen 32 abgegrenzte Aufweitbereiche austritt und die Lagerzapfen 2 plastisch verformt, die angrenzenden Teile der Wangen 1 jedoch nur elastisch. Vor dem Fügen sind auf die Lagerzapfen 2 Lagerbuchsen 4 aus einem hierfür besonders geeigneten, z. B. gehärteten Werkstoff aufgebracht worden. Die Lagerbuchsen 4 können (siehe Fig. 3) aus einem porösen Sintermaterial hergestellt sein, das mit Festschmierstoff getränkt sein kann. In jedem Falle erfolgt eine ausreichende Schmierstoffversorgung über Bohrungen 11 in den Wangen 1 (die vor dem Zusammenbau ohne Schwierigkeiten vorzunehmen sind) und Schmierkanälen 21 in den Lagerzapfen 2, die hier der Einfachheit halber die Form von eingefrästen Nuten haben können. Ebenfalls vor dem Zusammenfügen sind auf die Lagerzapfen 2 ungeteilte Pleuelstangen 5 aufgeschoben worden. Die die Vermittlung der Bewegung zwischen den beiden Teilen übernehmenden Lager können als Gleitlager 6 oder Wälzlager 7 ausgeführt sein, die beide ebenfalls vor dem Zusammenfügen der Wangen 1 und Lagerzapfen 2 auf letztere aufgebracht wurden. Als Montagehilfe vor dem Aufweiten können die (eventuell) dünner gehaltenen Enden der Lagerbuchsen 4 mit in die Bohrungen der Wangen 1, hier aber mit Preßsitz eingeführt worden sein. Damit die durch das Aufweiten der Zapfen hervorgerufene elastische Verformung der Lagerbuchsen 4 nur auf das verjüngte Teil 42 beschränkt bleibt, können auch noch Verstärkungen in Form von Bunden 41 vorgesehen sein. Zwischen die Wangen 1 und die Zapfen 2 kann eine Dicht schicht 8, z. B. aus Kupfer, Gummi oder Kunststoff gelegt werden, die diese Verbindung gegenüber den Schmierkanälen 11, 21 abdichtet.The crankshaft consists of a number of cheeks 1 , which are optimized in terms of their structural design and the material so that the most favorable ratio of weight to bending stiffness is achieved. The cheeks 1 are provided with bores into which the bearing pins 2 made of a particularly ductile material are inserted with little play. Subsequently, they are expanded with the aid of a partially broken-open probe 3 , which is supplied with pressure fluid via a channel 31 , which emerges in expansion regions delimited by seals 32 and plastically deforms the bearing pins 2 , but the adjacent parts of the cheeks 1 are only elastic. Before joining 2 bearing bushes 4 from a particularly suitable, z. B. hardened material has been applied. The bearing bushes 4 (see FIG. 3) can be made of a porous sintered material which can be impregnated with solid lubricant. In any case, there is an adequate supply of lubricant via bores 11 in the cheeks 1 (which are to be carried out without difficulty prior to assembly) and lubrication channels 21 in the bearing journals 2 , which for the sake of simplicity can have the form of milled grooves. Also before assembly, two undivided connecting rods 5 have been pushed onto the journals. The bearings that take over the mediation of the movement between the two parts can be designed as slide bearings 6 or roller bearings 7 , both of which were also applied to the latter before the cheeks 1 and the journal 2 were joined together. As an assembly aid before the expansion, the (possibly) thinner ends of the bearing bushes 4 may have been inserted into the holes in the cheeks 1 , but here with a press fit. So that the elastic deformation of the bearing bushes 4 caused by the widening of the pins is limited only to the tapered part 42 , reinforcements in the form of collars 41 can also be provided. Between the cheeks 1 and the pin 2 , a sealing layer 8 , z. B. made of copper, rubber or plastic, which seals this connection against the lubrication channels 11 , 21 .

Claims

1. A process for the production of crankshafts for piston machines from individually manufactured and then joined cheeks ( 1 ) and pin ( 2 ), characterized in that the pin designed as a hollow cylinder ( 2 ) plastically deformed by expansion and in the corresponding holes in the cheeks ( 1 ) brought into contact, and the latter are elastically deformed.

2. The method according to claim 1, characterized in that on the pin ( 2 ) prior to joining hollow cylindrical bearing bushes ( 4 ) are applied.

3. The method according to claim 2, characterized in that only parts of the bearing bushes ( 4 ) with the pin ( 2 ) are deformed, which are outside the bearing surface.

4. The method according to claim 3, characterized in that bearing bushes ( 4 ) are used which are provided outside the bearing surfaces with collars ( 41 ).

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that bearing bushes ( 4 ) are used which have a reduced wall thickness ( 42 ) at their ends.

6. The method according to claim 2, characterized in that on the bearing bushes ( 4 ) before joining sliding ( 6 ) or rolling bearings ( 7 ) are applied.

7. The method according to claim 1 or 6, characterized in that on the pin ( 2 ) or the sliding ( 6 ) or rolling bearings ( 7 ) rods before connecting undivided connecting rods ( 5 ) are applied.

8. The method according to claim 1 or 2, characterized in that cheeks ( 1 ) and pin ( 2 ) or bearing shells ( 4 ) with matching keys indentations or projections are provided, which allow only one orientation of the parts to each other.

9. The method according to claim 2, characterized in that the bearing bushes ( 4 ) are press-fitted into the holes in the cheeks ( 1 ).

10. The method according to claim 2, characterized in that the bearing bushes ( 4 ) for the duration of joining cheeks ( 1 ) and pin ( 2 ) are supercooled.