DE3830432A1 - Verfahren zum loeten einer hohlen kurbelwelle aus einzelstuecken - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Um gegenüber den im Motorenbau üblichen, als Guß- oder Schmiedeteil hergestellten und anschließend fertigbearbeiteten Kurbelwellen eine Gewichtsersparnis zu erzielen und die Fertigung zu vereinfachen ist bereits verschiedentlich vorgeschlagen worden, Kurbelwellen hohl auszuführen und aus miteinander verschweißten Einzelteilen aufzubauen, z. B. in der DE-C 4 98 170. Aus der DE-C 8 48 728 ist es darüber hinaus bekannt, die Aufteilung der Kurbelwelle in Einzelstücke so vorzunehmen, daß jeweils eine Kurbelwange mit zumindest einem der anschließenden Lager- bzw. Kurbelzapfen einstückig ausgeführt werden. Da hier beabsichtigt ist, die Zapfen mit besonderen Werkstoffeigenschaften auszustatten, werden sie als zwischen die Wangenstücke einzuschweißende oder -lötende Rohrstücke ausgeführt; bei Verzicht auf diesen Gesichtspunkt lassen sich die Zapfenteile selbstverständlich unmittelbar miteinander verbinden. Die genannten Konstruktionen berücksichtigen freilich nicht genug die bei einem Lötverfahren zu stellenden Anforderungen an die Gestaltung der Einzelstücke. Danach ist zwischen den Einzelstücken ein Lötspalt in der Größenordnung zwischen 0,05 und 0,15 mm vorzusehen, in dem sich das verflüssigte, zuvor in einem im Lötspalt oder an dessen einem Ende gelegenen Depot eingebrachte Lot infolge der Kapillarwirkung des engen Spaltes verteilt. Dabei wird die Menge an Lötmaterial selbstverständlich so bemessen, daß sie ausreicht, um den ganzen Spalt auszufüllen und weist zweckmäßigerweise einen Überschuß auf, der zumindest am einen Ende der Lötspaltes austritt und der optischen Begutachtung der Qualität der Lötverbindung dienen kann. Es versteht sich von selbst, daß zu diesem Zwecke das betreffende Ende des Lötspaltes einsehbar sein muß, d.h. zweckmäßigerweise auf die Außenseite der miteinander zu verbindenden Stücke gelegt wird. Die genannten Druckschriften enthalten keine Ausführungen darüber, wie die angrenzenden Stücke der Kurbelwelle vor dem Schweißen bzw. Löten in die richtige Lage zueinander gebracht und während des Verbindungsvorganges in dieser gehalten werden, doch ist anzunehmen, daß dies durch besondere Einrichtungen erfolgt, die die Einzelstücke in der richtigen axialen und Winkelstellung zueinander halten; der Einrichtungsaufwand verteuert die Fertigung und ist darüber hinaus geeignet, den Verbindungsprozeß selbst zu erschweren. Um die Kurbelwellen in einem Ofen löten zu können, wären beispielsweise wegen der hohen dort herrschenden Temperatur Halteeinrichtungen aus einer teuren Superlegierung oder aus Keramik erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Fügen von Kurbelwellen aus Einzelstücken, das für die Löttechnik optimiert ist und folgende Kriterien erfüllt:

1. Bereitstellung eines zur ausreichend festen Verbindung der Einzelstücke miteinander ausreichenden Lötspaltvolumens;

2. eine Vormontage der Einzelstücke durch einfaches Ineinanderstecken, wobei die dann hergestellte Orientierung während des Lötvorganges auch ohne Hilfe äußerer Halteeinrichtungen bestehen bleibt;

3. eine optische Kontrollierbarkeit der Qualität der Lötverbindung;

4. Anordnung von Lötspalt und -depot so, daß eine Kerbwirkung minimiert wird;

5. Verhinderung des Benetzens von zweckmäßigerweise bereits vor dem Fügen fertiggestellten Lagerflächen durch das Lotmaterial.

Die ersten beiden Forderungen werden durch ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs erfüllt. Die in der richtigen Orientierung zueinander ineinander gepreßten Einzelstücke verändern danach ihre Lage nicht mehr, so daß der Kurbelwellenrohling auf einer Unterlage stehend oder liegend in den Lötofen eingebracht werden kann, ohne daß besondere Haltevorrichtungen benötigt werden. Zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung reicht ein Teil des Umfanges der Berührungsfläche zwischen den Einzelstücken aus; der andere Teil (der zweckmäßigerweise gleichmäßig über den Umfang verteilt ist liegt hohl und bildet den Lötspalt.

Das Depot für das etwa in Form eines Ringes vorliegende Lotmaterial wird so angeordnet, wie im 2. Anspruch vorgeschlagen, damit bei einer optischen Inspektion der Außenseite der gelöteten Kurbelwelle anhand des dort gelegenen, vom Depot entfernten Spaltendes durch das Überfließen des Lotes aus dem Spalt die Tatsache einer einwandfreien Lötung festgestellt werden kann. Sofern das Lotdepot nicht am inneren Ende des Gesamtspaltes angeordnet wird (z. B. um eine eindeutige Fixierung des Lotmaterialringes zu gewährleisten) so ist der von hier nach der Innenseite der Kurbelwelle sich erstreckende Teil des Spaltes als nicht tragend anzusehen, da seine vorschriftsmäßige Füllung mit Lotmaterial nicht von außen kontrolliert werden kann.

Zur Erleichterung des vorläufigen Zusammenfügens der Einzelstücke sind diese gemäß der Ausgestaltung der Erfindung im 3. Anspruch in an sich bekannter Weise so ausgestaltet (z. B. durch die Anordnung aufeinander bezogener Kegelflächen), daß auch ohne erhöhte Präzision zueinander ausgerichtete Einzelstücke beim Zusammenfügen selbsttätig in die richtige Lage gelangen.

Entsprechend dem im 4. Anspruch gemachten Vorschlag werden Paare von Einzelstücken verwendet, bei denen jeweils ein Partner (wegen der leichteren Bearbeitbarkeit üblicherweise der innere) an seiner Berührungsfläche eine Struktur aufweist, die abwechselnd aus Erhebungen besteht, die das nominelle Paßmaß des damit versehenen Stückes überschreiten und wiederum Vertiefungen, die dieses Maß unterschreiten. Die Erhebungen werden bei dem gewaltsamen Ineinanderschieben der Stücke weitgehend auf das Paßmaß zurückverformt und sorgen für den festen Kraftschluß zwischen den Stücken.

Gemäß der Ausgestaltung der Erfindung im 5. Anspruch empfiehlt es sich, das eine Teil an der Oberfläche seiner Verbindungsstelle mit einer Rändelung zu versehen; dieses Verfahren ist wenig aufwendig und reicht völlig aus, um die geforderte Oberflächenstruktur mit einer Rauhtiefe von wenigen Zehntelmillimetern herzustellen.

je nach dem, wie groß die zur Übertragung der Kräfte erforderliche Lötfläche sein muß und je nach dem, wie diese Fläche im Bereich der ineinandergesteckten Zapfenteile unterzubringen ist, kann entsprechend der in den Ansprüchen 6 und 7 gegebenen Alternative eine gerade oder eine gewendelte Rändelung vorgesehen werden; dabei ist selbstverständlich auch eine Kreuzrändelung möglich.

Ein nicht unerheblicher Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß die Außenfläche der Zapfen vor dem Fügen als Partner für die Achs- bzw. Pleuellager fertig bearbeitet sein kann. Um diesen Bearbeitungszustand zu erhalten und eine Benetzung durch das aus dem Spalt austretende überschüssige Lot zu verhindern (dessen Abarbeiten infolge der großen Härte mancher dem Fachmann für diesen Zweck bekannter Lotwerkstoffe sehr aufwendig wäre) wird im 8. Anspruch vorgeschlagen, das äußere Ende des Lötspaltes so zu legen, daß aus diesem fließendes Lot die genannten Flächen nicht erreichen kann.

Ist eine solche Ausgestaltung nicht möglich, so empfiehlt sich die Abwandlung des Verfahrens entsprechend dem 9. Anspruch, wo die bearbeiteten Zapfenflächen vor dem Fügen mit einer die Benetzung derselben mit dem Lot verhindernden Schicht versehen werden.

Der aus Fertigungsgründen ohnehin zwischen den Kurbelwangen und den anschließenden Zapfenteilen vorhandene unbearbeitete Übergangsbereich, üblicherweise eine möglichst flache Hohlkehle kann gemäß dem 10. Anspruch dazu benutzt werden, das überschüssige Lot aufzunehmen. Damit das Ineinanderstecken der Stücke definiert erfolgt, wird die Bewegung bis zum Erreichen eines Anschlages fortgesetzt, den zwei mehr oder minder stark gegen die Kurbelwellenachse geneigte Fläche bilden. Der zwischen ihnen verbleibende, durch Bearbeitungsungenauigkeiten und die Oberflächenrauhigkeit usw. hervorgerufene Spalt unbestimmter Breite wird als "Nullspalt" bezeichnet. Zwar ist damit zu rechnen, daß sich über zumindest einem Teil desselben das Lot ebenfalls verteilen wird, jedoch besteht keine Gewähr hierfür. Nach der im 11. Anspruch gegebenen Lehre ist dieser Nullspalt so anzuordnen, daß er nicht zwischen Lötdepot und definierten Lotaustritt zu liegen kommt und dann als Lotbremse wirkt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Teil einer Kurbelwelle im Längsaxialschnitt und die Fig. 2 bis 7 alternative Möglichkeiten der Anordnung des Lötdepots; die Fig. 8 schließlich zeigt einen Querschnitt entsprechend der Linie VIII-VIII der Fig. 1.

Eine Kurbelwelle besteht aus einer Anzahl von Wangen 1, Achszapfen 2 und Kurbelzapfen 3. Der dargestellte Abschnitt ist aus vier Einzelstücken A, B, C, D aufgebaut, die durch unterschiedliche Schraffur kenntlich gemacht sind. jedes dieser Stücke umfaßt eine Wange 1 und einen Teil sowohl eines Achszapfens 2 als auch eines Kurbelzapfens 3. Die Einzelstücke sind zur Gewichtserleichterung hohl ausgeführt, soweit es die erforderliche Festigkeit zuläßt und sind mit fertig bearbeiteten Lagerflächen 4 versehen. Sie werden vor dem Löten ineinander gesteckt, wobei das jeweils innere Teil (B in Fig. 8) auf seiner Außenoberfläche mit einer Rändelung versehen worden ist; der Rändelungsvorgang hat die Oberfläche so verformt, daß Erhebungen 5 und Vertiefungen 6 entstanden sind, wobei der Abstand zwischen ihnen wenige Zehntelmillimeter beträgt. Die Erhebungen gehen zunächst über das Innenmaß des außen liegenden Teiles (C in Fig. 8) hinaus, werden aber beim Einpressen teilweise zurückverformt. Da der Außendurchmesser des inneren Teiles im ungerändelten Zustand kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Teiles ist, werden die zwischen den Erhebungen 5 verbleibenden Vertiefungen 6 auch beim Einpressen der Stücke nicht wieder ausgefüllt und verbleiben als Lötspalt. Durch den Einpreßvorgang sind die einzelnen Stücke A, B, C, D unverrückbar in der richtigen Orientierung miteinander verbunden und können nach Einbringen von Lötmaterial 7 an geeigneter Stelle unmittelbar und ohne Zuhilfenahme von Stützkonstruktionen in den Lötofen verbracht werden. Dort verflüssigt sich das Lot 7 und zieht infolge der Kapillarwirkung in den Spalt 6, diesen ausfüllend. Wegen einer gewissen Überbemessung der Lotmenge fließt schließlich der Überschuß aus dem äußeren Ende des Lotspaltes 6 (im Beispiel in einer Hohlkehle 8). Dieser Überschuß ist bei einer optischen Inspektion der Kurbelwelle sichtbar und deutet darauf hin, daß die Lötung im ganzen Bereich des Lötspaltes 6 ordnungsgemäß erfolgt ist. Um eine Beeinträchtigung der Lagerflächen 4 durch überfließendes Lot zu verhindern (falls das Volumen der Hohlkehle 8 zu dessen Aufnahme nicht ausreicht) sind die benachbarten Teile der Lagerflächen 4 mit einer (übertrieben dick dargestellten) Schicht 9 aus einem lotabweisenden Stoff (z. B. einer Metalloxidkeramik) versehen. Als dem Fachmann bekannte Lote, die für die Durchführung des Verfahrens geeignet erscheinen, bieten sich Kupfer- und Nickelbasislote an. In den Fig. 2 bis 7 sind verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie das in Ringform vorliegende Lot zweckmäßigerweise im Verhältnis zu den miteinander zu verbindenden Stücken angeordnet wird. Die ineinander zu steckenden Stücke A, B, C, D sind zweckmäßigerweise mit kegelförmigen Anschlagsflächen 10 versehen, durch die beim beim Zusammenbau eine selbsttätige Zentrierung der Teile aufeinander erfolgt und das Einführen erleichtert wird. Bilden die Flächen 10, wie in der Fig. 1 dargestellt, zugleich die die Einführung begrenzenden Anschläge da, so empfiehlt es sich, auch diese Flächen bei einem der Partner mit einer Rändelung 5, 6 zu versehen, damit trotz des an diesen Flächen an sich entstehenden Nullspaltes das Lot bis an das äußerste Ende des Spaltes 6 gelangen kann.

Die in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Alternativen der Anordnung des üblicherweise in Ringform vorliegenden Lotes 7 sind im Prinzip gleichwertig, wenn bestimmte Punkte berücksichtigt werden; die Gestaltung der Lötverbindung läßt sich so den verschiedensten konstruktiven Erfordernissen anpassen. Die beiden Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 bieten die Möglichkeit, das Lot 7 erst nach dem Fügen der Teile einzusetzen. Dabei ist die Ausführungsform nach der Fig. 2 am einfachsten, während bei derjenigen nach der Fig. 3 darauf geachtet werden muß, daß der mit 61 bezeichnete Teil des Lötspaltes 6 nicht als Nullspalt ausgebildet wird, da sonst der Fluß des Lotes an dieser Stelle stark behindert und möglicherweise nicht den gesamten restlichen Spalt 6 ausfüllen würde. Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 bis 7 muß der Lotring 7 bereits vor dem Fügen der Teile A, B, C, D eingebracht werden; andererseits ergibt sich der Vorteil, daß er beim anschließenden Handhaben des Kurbelwellenrohlings nicht verloren gehen kann. Bei den Lösungen nach den Fig. 5 und 7 ist wiederum darauf zu achten, daß das mit 61 bezeichnete Spaltteil keinen Nullspalt bildet oder anderenfalls ebenso mit einer Rändelung versehen ist. Wird bei der Ausführung nach der Fig. 6 das Lot an der oberen, gestrichelt gezeichneten Stelle angeordnet ist zu berücksichtigen, daß der mit 62 bezeichnete Teil des Lötspaltes 6 bei der Beurteilung der Festigkeit der Verbindung auszuscheiden hat, da infolge mangelnder Beobachtungsmöglichkeit des inneren Endes des Lötspaltes 6 eine Qualitätskontrolle hier nicht möglich ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Löten einer Kurbelwelle aus Einzelstücken (A, B, C, D) die jeweils eine Wange (1) und einen Teil eines Achs- (2) und eines Kurbelzapfens (3) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschiedenen Einzelstücken gehörenden Teile eines Achs- (2) bzw. Kurbelzapfens (3) auf einem Teil ihres Umfanges (5) mit Preßpassung und auf einem anderen Teil ihres Umfanges unter Freilassung eines Lötspaltes (6) zusammengesteckt und anschließend miteinander verlötet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötdepot (7) am inneren Ende des festigkeitstragenden Lötspaltes (6) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Stücke (A, B, C, D) eines Achs- (2) bzw. Kurbelzapfens (3) selbstzentrierend (10) ausgestaltet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der miteinander zu verbindenden Stücke an mindestens einem Teil seiner Berührungsfläche mit dem anderen Stück mit einer abwechselnden Erhebungen (5) und Vertiefungen (6) aufweisenden Oberflächenstruktur versehen wird, wobei die Erhebungen das Paßmaß des anderen Stückes überschreiten, und die Vertiefungen dieses Maß unterschreiten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Verbindungsstelle des einen Stücks (B) mit einer Rändelung (5, 6) versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Verbindungsstelle des einen Stücks mit einer geraden Rändelung (5, 6) versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Verbindungsstelle des einen Stücks mit einer gewendelten Rändelung (5, 6) versehen wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des Lötspaltes (6) außerhalb bearbeiteter Flächen (4) der Zapfen (2, 3) gelegt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem äußeren Ende des Lötspaltes (6) benachbarten Flächen (4) eine die Benetzung durch das Lot verhindernde Oberflächenbeschaffenheit (9) aufweisen.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des Lötspaltes (6) in eine Hohlkehle (8) zwischen Wange (1) und Zapfen (2, 3) gelegt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nicht mit Erhebungen (5) und Vertiefungen (6) versehene Teile der Oberflächen der Verbindungsstellen (10) zwischen den Einzelstücken (A, B, C, D) am äußeren Ende des Lötspaltes (6) angeordnet werden.