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An der Oberfläche gehärteter Wellenzapfen, insbesondere Kurbelwellenzapfen
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wellenzapfen edier mehrfach
gekröpften Kurbelwelle so auszubilden, daß sich folgende Eigenschaften ergeben-Der
Wellenzapfen soll neben hoher Bruchsicherheit gegenüber statischen und dynamischen
Beanspruchungen hohen Verschleißwiderstand gegenüber gleitender Reibung und eine
hohe Dämpfungsfähigkeit gegenüber Schwingungsbeanspruchungen besitzen. Die Kurbelwelle
soll sich in einfacher und schneller Weise, dem Rhythmus der Fließfertigung angepaßt,
herstellen lassen. Sie soll ferner frei von inneren Spannungen sein, und ihre gewünschtenEndabmessungen
sollen sich durch Fertigschleifen ohne vorheriges Richten erzielen lassen. Schließlich
soll es möglich sein, durch Festigkeitsprüfungen die Kernfestigkeit der Kurbelwelle
zu kontrollieren.
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Die bisher bekannten Kurbelwellenzapfen weisen hohe Festigkeit bei
guter Dehnung im Verein mit hoher Oberflächenhärte nur in beschränktem Maße auf,
da die Steigerung der einen Eigenschaft eine Verminderung der anderen zur Folge
hat.
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In den meisten Fällen verzichtet man daher, die Erfordernisse der
Bruchsicherheit voranstellend, auf eine besonders harte Oberfläche und verwendet
für hochbeanspruchte Kurbelwellen Stähle iil vergütetem Zustand, deren Kohlenstoffgehalt
im allgemeinen zwischen o,2 und 0,45 0;o liegt. Da der Vergütungsprozeß vor der
mechanischen Bearbeitung des Stückes vorgenommen wird und das erzielte Ergebnis
durch Festigkeitsprüfungen (z. B. Kugeldruckversuche) an jedem Stück kontrolliert
werden kann, bietet er einen wichtigen Vorteil. gegenüber den anderen weiter unten
beschriebenen Wärmebehandlungen. Hierzu kommt noch der Umstand, daß bei fließender
Fertigung die Weiterverarbeitung keine Unterbrechung durch zeitraubende Wärmebehandlung
erfährt.
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In neuerer Zeit ist jedoch die Forderung nach hoher Verschleißfestigkeit
als Folge der Entwicklung des Motorenbaues zu hohen Umdrehungszahlen und hohen Kompressionsdrücken
(Diesel-Motore) immer mehr izi den Vordergrund getreten. Man ist daher in größerem
Umfange zur Verwendung von Kurbelwellen übergegangen, bei denen. die Oberfläche
der Zapfen im Einsatz gehärtet ist. Diese Zapfen- haben aber im ungehärteten Kern
infolge des niedrigen Kohlenstoffgehaltes ihres Materials (weniger als o,2 %) .
geringere Festigkeiten, so daß man -einen Ausgleich durch größere Dimensionierung
schaffen muß. Erhöhter Materialverbrauch und größeres Gewicht, was besonders für
Automobil,; und Flugzeugkurbelwellen unz,##@°eckmäß'ig ist, sind die nachteilige
Folge.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse, wenn man die Oberflächenhärtung durch
Verstickung erreicht.
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Diesen Wellenzapfen haftet ferner ein besonderer Nachteil an: Die
Zusammensetzung
der Oberflächenschicht hat nicht mehr den Charakter
eines sogenannten Konstruktionsstahles, sondern den eines spröden Werkzeugstahles
mit gegenüber dem Kernwerkstoff verändertem Ausdehnungskoeffizienten, wodurch großer
Ausschuß durch Spannungsrisse verursacht wird.
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Weiterhin ist es beim Eülsatzhärten innerhalb wirtschaftlich tragbarer
Zeitspannen unmöglich, die Anreicherung des Kohlenstoffes in einer mehrere Millimeter
dicken Schicht oder des Stickstoffes in auch nur 1/z mm Stärke durchzuführen, ohne
daß hierbei stellenweise ein Überschreiten der zulässigen Konzentration (freier
Zementit oder Braunit) sich ergäben. Die Oberflächenschicht der im Einsatz gehärteten
Zapfen bleibt daher verhältnismäßig dünn. Bei dem auf das Härteverfahren folgenden
Fertigschleifen der Zapfen ist es jedoch häufig nicht nur erforderlich, den Zapfen
als solchen zylindrisch maßhaltig zu gestalten, sondern auch insbesondere bei mehrfach
gekröpften Kurbelwellen eine etwa durch Verzug entstandene Exzentrizität oder Disparallelität
auszugleichen. Ist dann die gehärtete Oberflächenschicht an sich schon verhältnismäßig
dünn, so tritt sehr leicht der Fall ein, daß beim Schleifen die gehärtete Schicht
stellenweise unzulässig geschwächt oder gar entfernt wird, wodurch das ganze Werkstück
unbrauchbar würde. Um derartigen Ausschuß zu vermeiden, müssen daher bei Anwendung
dieser Verfahren nach dem Härten und vor dem Schleifen die Wellen sorgsam ausgerichtet
werden, ein Vorgang,. der nicht nur umständlich ist und besondere Gewandtheit erfordert,
sondern auch unvermeidliche Spannungen in Werkstücken zurückläßt. Solche Spannungen
wirken sich besonders nachteilig dadurch aus, daß sie sich zu den durch die verschiedene
Zusammensetzung von Mantel und' Kern bedingten Spannungen addieren und hierdurch
die bei im Einsatz behandelten Stücken bekannte Abblätterung begünstigen. Die Spannungen
lassen sich auch nicht etwa durch nachträgliches Glühen oder Anlassen entfernen,
ohne daß gleichzeitig die Härte der Einsatzschicht vermindert würde. Die ungenügende
Dicke der Einsatzschicht hat weiterhin die nachteilige Folge, daß bei hohen Flächenpressungen
ein stellenweises Eindrükken in den Kern eintreten kann, wodurch das Werkstück selbst
oder unter Umständen die ganze 'Maschine zerstört werden könnte.
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Ein anderer Nachteil der im Einsatz gehärteten Kurbelwellenzapfen
ist schließlich auch noch darin begründet, daß die langwierige Wärmebehandlung sich
nicht in die Serienfertigung einpassen läßt, sondern eine Unterbrechung des Herstellungsganges
des Einzelwerkstückes und eine Ansammlung einer größeren Anzahl. Stücke erforderlich
macht. Hierdurch wird die Gesamtmenge der gleichzeitig im Herstellungsgang befindlichen
Werkstücke erheblich vermehrt.
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Es sind auch Kurbelwellen bekamzt, deren Zapfen im Kern und an der
Oberfläche aus einem Werkstoff der gleichen chemischen Zusatmnensetzung bestehen,
die aber dennoch an der Oberfläche des Zapfens eine größere Härte als im Kern aufweisen.
Diese Kurbelwellen bestehen aus einem lufthärtenden Stahl. Bei der Herstellung werden
lediglich die Wellenzapfen, beispielsweise mittels Gebläsebrenners, auf Härtetemperatur
gebracht, um sodann mehr oder weniger schnell abzukühlen, und zwar an der Oberfläche
schneller als im Kern, so daß die Härte nach der Achse hin abnimmt. Diese Kurbelwellen,
die aus einem teueren Werkstoff mit geringer Dämpfungsfähigkeit gegenüber Schwingungsbeanspruchungen
bestehen, weisen aber die erstrebenswerten Eigenschaften an der Oberfläche' und
im Kern nur unvollkommen auf. Die Oberfläche ist doch nicht so hart und der Kern
doch nicht .so zähe, wie es .erwünscht wäre. Zudem läßt sich die Kernfestigkeit
nicht nachprüfen.
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Schließlich sind auch mehrfach gekröpfte Kurbelwellen bekannt, deren
Wellenzapfen zur Erhöhung der Bruchfestigkeit an den am stärksten durch Zug, Druck
und Schub beanspruchten Stellen gehärtet sind. Auch diese Kurbelwellen bestehen
durchweg aus einem Werkstoff der gleichen chemischen Zusammensetzung. Die gehärteten
Stellen sind durch momentane Erhitzung mittels eines Schweißbrenners und durch sofortiges
Abschrecken erzeugt.
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Die vorliegende Erfindung geht nun von diesem Vorbild aus und sieht
daher ebenfalls eine Kurbelwelle vor, deren Wellenzapfen durchweg aus einem vergüteten,
nicht lufthärtenden Werkstoff der gleichen chemischen Zusammensetzung bestehen und
durch momentane Erhitzung und sofortiges Abschrecken teilweise gehärtet sind. Im
Gegensatz zu der bekannten Kurbelwelle bildet der gehärtete Teil des Kurbelwellenzapfens
jedoch erfindungsgemäß einen gleichmäßig starken Mantel, der sich über die ganze.
Länge des Zapfens erstreckt, während der von diesem Mantel eingeschlossene Kein
aus einem vergiitetenWerkstoff besteht.
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Bei der Herstellung der Wellenzapfen gemäß der vorliegenden Erfindung
kommt es also darauf an, die Bedingungen dafür ,zu schaffen, daß zwar die Oberfläche
des ZalS-fens so heiß wird, daß durch das ' nachfolgende Abschrecken Härtung herbeigeführt
wird, daß aber der Kern kalt bleibt.
Ein bevorzugtes Verfahren zur
Herstellung des Wellenzapfens nach der Erfindung, das diese Bedingungen erfüllt,
besteht darin, daß den Wellen durch eine an sich bekannte Wärmebehandlung die gewünschten
Kernfestigkeitseigenschaften verliehen und alsdann die Wellenzapfungen nur an der
Oberfläche während einer einmaligen Umdrehung sowohl auf die Härtetemperatur mittels
eines Schweißbrenners mit Schlitzdüse erhitzt als auch im unmittelbaren Anschluß
an den Erhitzungsvorgang durch Abschrecken gehärtet werden.
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Indessen ist die Erfindung nicht auf dieses Verfahren beschränkt;
denn es wäre beispielsweise genau so gut möglich, den Brenner gegen den Zapfen zu
drehen oder die Erhitzung auf andere Weise, etwa elektrisch, vorzunehmen.
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Die Kühlung erfolgt entweder durch die umgebende Luft allein oder
durch Strahlen, gegebenenfalls künstlich gekühlter Luft, die alsbald hinter dem
Brenner gegen den Zapfen geblasen wird, oder durch Flüssigkeitsstrahlen, oder durch
ein Bad usw.
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Man hat zwar vorgeschlagen, im Einsatz aufgekohlte Werkstücke aus
Stahl von höherer Festigkeit in -einem Härtebad nur oberflächlich zu erhitzen und
dann das N.Verkstück abzuschrecken, bevor die Erwärmung bis in den Kern fortgeschritten
wäre. Dieses Verfahren ist jedoch umständlich und auf Kurbelwellen nicht anwendbar;
sofern man die Xurbelwangen nicht mithärten will, und für Fließfertigung eb.ensowenig
geeignet wie das übliche Einsatzhärten.
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Zur Härtung der Kränze von Eisenbahnrädern hat man ein Verfahren vorgeschlagen,
das darauf beruht, den zu härtenden Oberflächenstreifen durch einmaliges Überfahren
mit einem Schweißbrenner auf Härtetemperatur zu erhitzen und sofort wieder abzulöschen,
bevor die Erhitzung in tiefere Zonen des Werkstückes fortschreitet. In ähnlicher
Weise ist in Vorschlag gebracht worden, die Köpfe von Eisenbahnschienen zu' härten,
wobei Schlitzbrenner Verwendung finden können.
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Das Verfahren zur Herstellung der Wellenzapfen nach der vorliegenden
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dieser Weg die Möglichkeit bietet, durch
Verwendung eines der Zapfenlänge angepaßten Breitbrenners bei geeigneter Bemessung
der Temperatur dieses Brenners und des Zeitraumes, währenddessen die zu härtende
Oberfläche mit dem Brenner überfahren wird, eine Oberflächenschicht von beliebiger
Stärke, beispielsweise 3 bis 8 mm, zu härten.
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Weiterhin gründet sich die Erfindung auf der Erkenntnis, daß gerade
diejenigen Vergütungsstähle, die sich als die bestgeeigneten für Kurbelwellen bewährt
haben, nach sehr schroffem Abschrecken die für die Oberfläche erwünschte Härte aufweisen,
nämlich eine Härte, wie sie sich beispielsweise für gehärtete Wälzlagerringe als
die zweckmäßigste herausgestellt hat, ohne daß hierbei die für letztere gebräuchlichen
höheren Gehalte an Kohlenstoff und Chrom, die eine weniger schroffe Ölabschreckung
zwecks Vermeidung von Härterissen bedingen, erforderlich sind.
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Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden Vorteile gegenüber
den bekannten Kurbelzapfen bz-,v. deren Herstellungv erfahren: i. Die Möglichkeit,
die Auswahl der zur Verwendung kommenden Stähle nur mit Rücksicht auf die zu erwartenden
Beanspruchungen zu treffen, d. h. sowohl hochlegierte als auch unlegierte oder nur
niedrig legierte Vergütungsstähle zu verwenden, 2. den Kern so zu vergüten, wie
es sich für derartige Werkstücke am besten bewährt hat, die Möglichkeit, durch Festigkeitsprüfungen
nach der Vergütungsbehandlung die Kernfestigkeit des Fertigerzeugnisses zu kontrollieren,
4. einen gehärteten Außenmantel von derjenigen Festigkeit und Härte' herzustellen,
wie sie sich für verschleißfeste Lager bewährt haben, 5. die Möglichkeit, die Dicke
des gehärteten Mantels den auftretenden Beanspruchungen anzupassen, 6. die Möglichkeit,
infolge des dickeren Härtemantels die gewünschten Endabmessungen durch Fertigschleifen
ohne vorheriges Richten zu erreichen, 7. die Möglichkeit, den Härteprozeß am einzelnen
Stück und in einer Zeit durchzuführen, die dem Rhythmus der Fließfertigung angepaßt
ist, ä. wesentliche Verringerung der zwischen gehärtetem Mäntel und nicht gehärtetem
Kern vorhandenen Spannungen infolge der gleichen chemischen Zusammensetzung von
Kern und Mantel, g. größere Zähigkeit und Dämpfungsfähigleit, d. h. verminderte
Rißgefahr der gehärteten Schicht gegenüber solchen, deren Härte auf Änderung der
chemischen Zusammensetzung beruht, i o. geringer Verzug des ganzen Stückes, da während
der Härtebehandlung nur jeweils ein verschwindend kleiner Teil erwärmt ist.
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Eine beispielsweise Anordnung für das Herstellungsverfahren gibt Abb.
i wieder. Hierin bedeutet A den zu härtenden, sich langsam drehenden Zapfen, -B
den zur Erhitzung dienenden Brenner und C eine Düse, durch die das Kühlmittel auf
den Zapfen zur Wirkung gebracht wird.
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Abb.2 veranschaulicht als Beispiel den
Verlauf der
Härte über den Querschnitt eines Zapfens, und zwar zeigt die Kurve A den Verlauf
der Härteeines nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Zapfens, Kurve
B den Härteverlauf bei einem nach dem Einsatzhärteverfahren hergestellten und Kurve
C den Härteverlauf bei einem'aus lufthärtendem Chrom-Nickel-Stahl hergestellten
Zäpfen. Als Abszisse ist der Abstand von der Zapfenoberfläche, als Ordinate die
Rockwellhärte C bzw. die Zugfestigkeit in kg/mm' angegeben.
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Kurve A zeigt, daß in dem Außenmantel des Zapfens in Stärke von etwa
7 mm die Härte 6o Rockwellgraden entspricht, d. h. daß dieser die gleiche Festigkeit
aufweist, die für Wälzlagerringe üblich ist, während der Kern gleichmäßig eine Härte
von etwa 27 Rockwellgraden gleich 95 kg/mm2 Zugfestigkeit besitzt, entsprechend
der Festigkeit eines richtig vergüteten Kurbelwellenstahles für hohe Beanspruchungen.
' Demgegenüber zeigt die Kurve B einen zwar sehr harten Mantel, -der jedoch bedeutend
dünner ist, nur etwa 1,5 mm, während die Festigkeit des Kernes infolge des niedrigen
Kohlenstoffgehaltes wesentlich unter. derjenigen der Kurve A liegt. Ähnlich der
Kurve B ist der Härteverlauf eines durch Verstickung oberflächengehärteten Zapfens,
wobei die Außenschicht zwar eine noch höhere Härte, jedoch eine noch geringere Dicke
als die beim Einsatzhärten -erreichbare besitzt.
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Die Kurve C zeigt, daß ein Zapfen aus lufthärtendem Chrom-Nickel-Stahl
nur verhältnismäßig geringe Unterschiede in der Härte von Mantel und Kern aufweist.
Er hat an der Oberfläche gegenüber A und B erheblich geringere Verschleißfestigkeit,
im Kern aber größere Sprödigkeit.
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Die in den Kurven als Beispiel angegebenen Festigkeitszahlen lassen
sich natihlich in allen drei Fällen durch die Zusammensetzung des verwendeten Stahles
beeinflussen. Der Typus der Härteerteilung bleibt jedoch der gleiche. -Abb.3 veranschaulicht
den Querschnitt eines Zapfens gemäß der Erfindung.
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a ist der gehärtete Mantel, b der vergütete Kern.
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Die Erfindung ist nicht ausschließlich beschränkt auf die Herstellung
von Kurbelwellenzapfen, sondern kann sinngemäß auch für zapfenartige Maschinenteile
ähnlicher Beanspruchung benutzt werden, wobei die Wahl des Werkstoffes davon abhängig
ist, wie groß die Verschleißfestigkeit des Mantels und der Widerstand gegen statische
und dynamische Beanspruchung des Kernes sein muß.
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Versuche mit Führungszapfen, Rollen u. dgl. auch aus nicht vergütetem
geschmiedetem Stahl und aus Stahlguß haben gezeigt, daß die Schwierigkeiten der
gleichzeitigen Erreichung guter Festigkeitseigenschaften und hohen Verschleißwiderstandes
in überraschend guter Weise durch das oben beschriebene Verfahren beseitigt werden
können. .