DE4442821C2 - Induktionsheizspulenanordnung zur Härtung einer Innenoberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizspulenanordnung mit einem leitfähigen, annähernd ringförmigen Induktionsteil zur Ausbildung zumindest einer gehärteten Schicht in der Innenwand eines das Induktionsteil außen im Abstand umgebenden hohlzylindrischen Gegenstands durch Erzeugung induzierter Ströme in der Innenwand des hohlzylindrischen Gegenstands, wie sie beispielsweise aus der DE 39 26 571 C1 bekannt ist.

Die bekannte Induktionsheizspulenanordnung dient zum induktiven Härten der Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen und weist über den Umfang des ringförmigen Induktionsteils gleichmäßig verteilt mehrere Jochblechpakete auf, welche das Induktionsteil jeweils C-förmig so umfassen, daß sie zur Innenwand der zu härtenden Zylinderlauffläche hin offen sind. In dem offenen Bereich, der sog. "aktiven Fläche" jedes Jochblechpakets ist ein Segmentplättchen aus diamagnetischem Material, etwa Kupfer angeordnet, um im Bereich der aktiven Fläche die Magnetfelddichte zu erhöhen.

Infolge der mehreren Jochblechpakete, die einzeln an dem leitfähigen, annähernd ringförmigen Induktionsteil gehaltert werden müssen, ist die bekannte Induktionsheizspulenanordnung relativ kompliziert aufgebaut und erfordert entsprechend, umfangreiche Herstellungsschritte.

Aus der DE-PS 901 060 ist eine Induktionsheizspulenanordnung bekannt, die ein leitfähiges, annähernd ringförmiges Induktionsteil aufweist, in dessen Inneren gleichzeitig mehrere metallische Werkstücke wie Bleche, Platten und dgl. gehärtet werden sollen. Hierzu werden zwei oder mehr derartige Werkstücke als mehrteiliger, zusammengehaltener Körper im Innenraum des Induktionsteils so angeordnet, daß die mehreren Werkstücke zu einem mehrteiligen, stromleitenden, in sich geschlossenen Körper verbunden werden, während die nicht zu härtenden Oberflächen der verschiedenen Werkstücke sich entweder gegenseitig abschirmen oder durch besondere Zusatzteile abgeschirmt werden. Die Innenwand des Induktionsteils kann je nach gewünschter Härtezone verschieden ausgebildet sein, und Ausnehmungen aufweisen. Mit einer derartigen Induktionsheizspulenanordnung, bei welcher die zu härtenden Werkstücke innerhalb der Innenwand angeordnet sind, kann selbstverständlich nicht eine gehärtete Schicht in der Innenwand eines das Induktionsteil außen im Abstand umgebenden hohlzylindrischen Gegenstands erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der in der DE 39 26 571 C1 beschriebenen Induktionsheizspulenanordnung eine einfacher aufgebaute Induktionsheizspulenanordnung zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird durch eine Induktionsheizspulenanordnung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen, und welche beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Induktionsheizspulenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht in Querrichtung eines zylindrischen Teils, beispielsweise eines Zylinderblocks, welches erhitzt werden soll, wobei die Heizspulenanordnung von dem Teil um einen vorbestimmten, gleichmäßigen Abstand beabstandet angeordnet ist;

Fig. 3A ein Muster ausgebildeter, gehärteter Schichten in einer abgewickelten Ansicht der Innenwand des wärmegehärteten, externen hohlzylindrischen Teils;

Fig. 3B ein weiteres Muster für die ausgebildeten, gehärteten Schichten;

Fig. 3C ein weiteres Muster der erzeugten, gehärteten Schichten;

Fig. 4 eine Perspektivansicht der Induktionsheizspulenanordnung, an welcher mehrere Kerne befestigt sind;

Fig. 5 eine Aufsicht auf die Induktionsheizspulenanordnung, außerhalb derer das zu erhitzende, externe hohlzylindrische Teil in einer vorbestimmten, gleichmäßigen Entfernung von der Anordnung angebracht ist; und

Fig. 6 eine vertikale Schnittansicht zur Erläuterung eines Zustandes eines abwechselnden Magnetflusses ϕ, der zwischen dem Abschnitt der Induktionsheizspulenanordnung, die einen ausgenommenen Abschnitt aufweist, und der Innenwand des externen, zu erhitzenden hohlzylindrischen Teils von Fig. 5 erzeugt wird.

Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Induktionsheizspulenanordnung und des Verfahrens zum Härten einer Innenoberfläche eines Zylinders beschrieben, insbesondere einer Innenoberfläche eines Zylinderblocks, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Induktionsheizspulenanordnung 1 (die nachstehend einfach als Spulenanordnung 1 bezeichnet wird). In dieser Figur weist die Spulenanordnung 1 ein zylindrisches, annähernd ringförmiges, leitfähiges Induktionsteil 2 und ein Paar von Kabelverbindungsabschnitten 5a und 5b zur Verbindung mit einem Paar von Kabeln zur Zuführung von Strom auf. Die Innenwand 3 des Induktionsteils 2 weist mehrere ausgenommene Abschnitte mit vorbestimmter Breite auf, beispielsweise zwölf ausgenommene Abschnitte 4, 4, ..., welche die Dicke des Induktionsteils in Umfangsrichtung an annähernd gleichen Orten klein ausbilden. Das Paar der Kabelverbindungsabschnitte 5a und 5b ist auf einem Abschnitt der Innenwand 3 des Induktionsteils 2 vorgesehen. Das Paar von Kabeln zur Zuführung von Strom dient zum Verbinden der Kabelverbindungsabschnitte 5a und 5b mit einer Wechselrichterstromversorgungsvorrichtung, die außerhalb der Spulenanordnung 1 vorgesehen ist.

Zwischen dem Paar der Kabelverbindungsabschnitte 5a und 5b ist sandwichartig ein Isolierteil 6 zur Ausbildung einer Heizspule mit einer Windung vorgesehen.

Die Spulenanordnung 1 bei dieser Ausführungsform dient zur kollektiven Ausbildung mehrerer, getrennter, teilweise ausgehärteter Schichten in der Innenwand eines hohlzylindrischen Teils, beispielsweise eines Zylinderblocks, welches in Umfangsrichtung erhitzt werden soll. Die Spulenanordnung 1 wird in einen zu erhitzenden Zylinderblock 11 mit vorbestimmtem, gleichmäßigem Abstand von der Innenwand 12 des Zylinderblocks 11 eingesetzt, wie in der Querschnittsansicht von Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 ist der Zylinderblock 11 als Querschnitt in Querrichtung dargestellt, wobei der Querschnitt entlang der oberen Oberfläche der Spulenanordnung 1 verläuft. Diese Figur zeigt einen Zustand, in welchem mehrere getrennte, teilweise ausgehärtete Schichten an Umfangsabschnitten an der Innenwand 12 des Zylinderblocks 11 ausgebildet werden, der erhitzt werden soll, die den ausgenommenen Abschnitten 4 der Spulenanordnung 1 gegenüberliegen.

Es können mehrere getrennte, teilweise gehärtete Schichten 12a kollektiv in der Innenwand 12 des zu erhitzenden Zylinderblocks 11 in Umfangsrichtung ausgebildet werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Auf der Oberfläche der Innenwand 12 des erhitzten und gehärteten Zylinderblocks 11 sind zwölf ausgehärtete Schichten 12a in Umfangsrichtung unterteilt ausgebildet, wie in der Abwicklungsansicht von Fig. 3A gezeigt ist.

Zwei Umfangslinien getrennter, teilweise ausgehärteter Schichten 12a können, wie in Fig. 3B gezeigt ist, ebenfalls in der Innenwand 12 des Zylinderblocks 11 ausgebildet werden, durch Bewegung der Spulenanordnung 1 entlang der Zentrumsachse des Zylinderblocks 11 in Vertikalrichtung, und durch Wiederholung einer Wärmehärtungsbehandlung. Weiterhin können auch zwei Umfangslinien getrennter, teilweise ausgehärteter Schichten 12a gemäß Fig. 3C in versetzter Form in der Innenwand 12 ausgebildet werden, durch Drehung der Spulenanordnung 1 um einen vorbestimmten Winkel auf deren Zentrumsachse, während ihrer Bewegung entlang der Zentrumsachse des Zylinderblocks 11 in Vertikalrichtung.

Selbstverständlich kann das Härtungsmuster auf der Innenwand 12 des Zylinderblocks 11, die durch die Spulenanordnung 1 gemäß dieser Ausführungsform erhitzt werden soll, nicht nur zwei Umfangslinien gemäß Fig. 3B und 3C aufweisen, sondern auch drei oder mehr Umfangslinien getrennter Teilaushärtungsschichten 12a. Die Abstände zwischen den ausgenommenen Abschnitten 4, die auf der Innenwand des Induktionsteils 2 ausgebildet werden, können wahlweise insoweit geändert werden, als die ausgebildeten, gehärteten Schichten 12a einander nicht überlappen. Daher ist es bei der Verwendung der Spulenanordnung 1 gemäß dieser Ausführungsform möglich, einfach mit Anforderungen von Kunden bezüglich einer Vielzahl von Härtungsmustern fertig zu werden.

In Fig. 4 ist eine Perspektivansicht der Induktionsspulenanordnung 1 mit mehreren ausgenommenen Abschnitten 4, 4, ... dargestellt, an welchen mehrere Kerne 21, 21, ... befestigt sind. In Fig. 5 ist eine Aufsicht auf die Induktionsspulenanordnung 1 dargestellt, außerhalb derer der zu erhitzende Zylinderblock 11 angeordnet ist.

Der abwechselnde Magnetfluß ϕ, der zwischen dem Abschnitt der Spulenanordnung 1, der einen ausgenommenen Abschnitt 4 aufweist, und der Innenwand 12 des zu erhitzenden Zylinderblocks 11 erzeugt wird, neigt zu einer Konzentration in Vorwärtsrichtung infolge einer Befestigung des Kerns 21 an jedem ausgenommenen Abschnitt 4, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Daher ist es möglich, tiefe, getrennte, gehärtete Teilschichten 12a in der Innenwand 12 auszubilden.

Daher ist es möglich, einfach Anforderungen von Kunden zu entsprechen, die getrennte, gehärtete Teilschichten auszubilden wünschen, die tiefer sind als gewöhnliche gehärtete Schichten, und zwar durch Anbringung der Kerne 21.

Wenn die Kerne 21 angebracht sind, so kann Vorschubgeschwindigkeit für das Induktionsteil 2 erhöht werden. Wenn die Abstände zwischen den getrennten, gehärteten Teilschichten 12a, die ausgebildet werden sollen, zu klein wären, so könnten benachbarte, gehärtete Teilschichten 12a einander berühren. Damit die gehärteten Teilschichten 12a nicht miteinander verbunden werden, ist es erforderlich, größere Zwischenräume zwischen den ausgenommenen Abschnitten 4 des Induktionsteils 2 vorzusehen, welches mit den Kernen 21 versehen ist, als bei dem Induktionsteil 2 ohne Kerne.

Wie voranstehend beschrieben, weist die Spulenanordnung 1 gemäß dieser Ausführungsform ein annähernd ringförmiges, leitfähiges Induktions­ teil 2 auf, dessen Innenwand 3 mehrere ausgenommene Abschnitte 4, 4, ... aufweist, welche die Radialdicke des Induktionsteils 2 an vorbestimmten Orten in Umfangsrichtung teilweise klein ausbilden. Daher ist die Struktur der Spulenanordnung 1 äußerst einfach. Es ist eine kostengünstige Herstellung der Spulenanordnung 1 möglich, verglichen mit der Herstellung einer konventionellen Heizspulenanordnung.

Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht eine einfache Einstellung zur Aufrechterhaltung des Zwischenraumes zwischen der Spulenanordnung 1 und der Innenwand 12 des konstant zu erhitzenden Zylinderblockes 11, und eine gleichzeitige Wärmebehandlung zur Ausbildung mehrerer getrennter, gehärteter Teilschichten an gewünschten Orten am Umfang auf der Innenwand des zylindrischen Teils, wie zum Beispiel des Zylinderblockes 11.

Beispielsweise ermöglicht bei einer simultanen Wärmehärtungsbehandlung einer Welle mit einem Flansch die Verwendung der Induktionsheizspule gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine einfache Einstellung der Tiefe der gehärteten Schicht, ohne Kerne, die bei einer konventionellen Induktionsheizspule eingesetzt wurden.

Da die Induktionsspulenanordnung 1 einen Aufbau mit einer einzigen Windung aufweist, ist es darüber hinaus möglich, die Stärke des elektrischen Stroms von einer externen Wechselrichter-Stromversorgungsvorrichtung einfach zu verringern und zu steuern, und die Anforderungen an die Leistung und die Steuerung der Stromversorgungsvorrichtung zu verringern, und hierdurch die Kosten für ein System zu verringern, welches diese Induktionsheizspulenanordnung verwendet. Daher ist es ebenfalls möglich, einen Verbrauch der Induktionsheizspulenanordnung selbst zu unterdrücken, um deren Lebensdauer zu verlängern und deren Wartungskosten zu reduzieren.

Obwohl im einzelnen bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sollte es offensichtlich sein, daß sich hierbei zahlreiche Änderungen und Modifikationen vornehmen lassen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der sich aus der Gesamtheit der Anmeldeunterlagen ergibt und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein soll.

Beispielsweise wird bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen die Induktionsheizspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung nur zum Härten eines Zylinderblocks eingesetzt. Allerdings kann zweifellos die Induktionsheizspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bei unterschiedlichen Arten hohlzylindrischer Teile eingesetzt werden, welche eine Härtebearbeitung in deren Innenwand erfordern. Die Abstände zwischen den ausgenommenen Abschnitten 4, die auf der Innenwand der Spulenanordnung 1 vorgesehen sind, können wahlweise insoweit geändert werden, als die ausgebildeten gehärteten Schichten 12a nicht einander überlappen.

Claims (4)

1. Induktionsheizspulenanordnung (1) mit

• a) einem leitfähigen, annähernd ringförmigen Induktionsteil (2);
• b) zur Ausbildung zumindest einer gehärteten Schicht (12a) in der Innenwand (12) eines das Induktionsteil (2) außen im Abstand umgebenden hohlzylindrischen Gegenstands (12) durch Erzeugung induzierter Ströme in der Innenwand (12) des hohlzylindrischen Gegenstands (11);

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auf der Innenwand (3) des Induktionsteils (2) in Umfangsrichtung mehrere (m) ausgenommene Abschnitte (4) vorgesehen sind.

2. Induktionsheizspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Kabelverbindungsabschnitten (5a, 5b) zur Verbindung des Induktionsteils (2) mit einer Stromversorgung sich zum Zentrum des Induktionsteils (2) hin erstreckt, und zwischen den beiden Kabelverbindungsabschnitten (5a, 5b) sandwichartig eingeschlossen ein Isolierteil (6) vorgesehen ist.

3. Induktionsheizspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem ausgenommenen Abschnitt (4) ein Kern (21) vorgesehen ist.

4. Induktionsheizspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwölf (m = 12) ausgenommene Abschnitte (4) in annähernd gleichen Abständen auf der Innenwand (3) des Induktionsteils (2) vorgesehen sind.