EP1201364A1

EP1201364A1 - Gerät zum Festwalzen von Kurbelwellen

Info

Publication number: EP1201364A1
Application number: EP01120063A
Authority: EP
Inventors: Alfred Dr.-Ing. Heimann
Original assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Current assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: JP2002181027A; JP4243446B2; ATE355154T1; DE10052753A1; EP1201364B1; US6651474B2; DE50112106D1; US20020108417A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Festwalzen von Radien oder Einstichen an Haupt- (1, 2, 3, 4, 5) oder Pleuellagern (1', 2', 3', 4') von Kurbelwelle (6) mit Hilfe von Festwalzrollen und Stützrollen am jeweiligen Haupt- (1, 2, 3, 4, 5) oder Pleuellager (1', 2', 3', 4') zum Abstützen der von den Festwalzrollen auf die Kurbelwelle (6) aufgebrachten Walzkraft. Vorgesehen ist eine Einrichtung zum Aufbringen einer zusätzlichen äusseren Beanspruchung (12) in Richtung der im Betrieb auftretenden Belastung der Kurbelwelle (6) während des Festwalzens der Radien oder Einstiche. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Festwalzen von Radien oder Einstichen an Haupt- oder Pleuellagern von Kurbelwellen mit Hilfe von Festwalzrollen und Stützrollen am jeweiligen Haupt- oder Pleuellager zum Abstützen der von den Festwalzrollen auf die Kurbelwelle aufgebrachte Walzkraft.

Es ist bekannt, Kurbelwellen unter zusätzlicher äusserer Kraft, die in Richtung der im Betrieb auftretenden Belastung aufgebracht wird, festzuwalzen. Beispielsweise beim Festwalzen von Kurbelwellen, die aus hochfesten Werkstoffen bestehen, können so grosse Walzkräfte auftreten, dass die Kurbelwellen nicht mehr mit den normalen Werkzeugen festgewalzt werden können, ohne dass dies Festwalzrollen nach kurzer Zeit versagen. Durch das Aufbringen einer Zugbeanspruchung während des Festwalzens würde die äussere Belastung eine Senkung der Walzkraft gestatten, um ein ähnliche Verteilung der axialen Eigenspannungen wie beim Festwalzen ohne äussere Last zu erzeugen. Bei Kurbelwellen entspricht diese äussere Last während des Festwalzens einem elastischen Aufbiegen der Wangen der Kurbelwelle (vgl. Achmus, Christian: "Messung und Berechnung des Randschichtzustandes komplexer Bauteile nach dem Festwalzen,, , zugelassene Dissertation Technische Universität Braunschweig 1998, Verlag Papierflieger, Clausthal-Zellerfeld, 1999, Seiten 110 und 111).

Aus den Ergebnissen der vorgenannten Veröffentlichung resultiert die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, die an sich bekannten Geräte zum Festwalzen von Radien oder Einstichen an Haupt- oder Pleuellagern von Kurbelwellen so weiter zu entwickeln, dass die gebräuchlichen Festwalzwerkzeuge eine grössere Standzeit haben bzw. mit den gebräuchlichen Festwalzwerkzeugen bei üblichen Standzeiten Kurbelwellen festzuwalzen, die aus einem hochfesten Werkstoff bestehen. Dabei sollen die weiterentwickelten Einrichtungen einfach in ihrem Aufbau, betriebssicher in der Handhabung und auch preisgünstig sein.

Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Aufbringen einer zusätzlichen äusseren Beanspruchung in Richtung der im Betrieb auftretenden Belastung der Kurbelwelle während des Festwalzens der Radien oder Einstiche gelöst. Nach einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel besteht die Einrichtung aus wenigstens einem Spannfutter für die Kurbelwelle, welches eine Zugkraft in Längsrichtung der Kurbelwelle auf die Kurbelwelle aufbringen kann.

Aber auch mit dem Aufbringen eines Biegemoments auf die Kurbelwelle kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden. Eine derartige Einrichtung besteht dann beispielsweise aus einem Spannfutter, einem Reitstock oder einer Lünette, zwischen denen die Kurbelwelle eingespannt ist. Das Spannfutter, der Reitstock oder die Lünette sind derart ausgestaltet, dass sie während des Umlaufens der Kurbelwelle beim Festwalzvorgang zugleich eine Biegespannung in der Kurbelwelle erzeugen können. Das Erzeugen der Biegespannung kann beispielsweise durch eine winkelige Einstellung der vorgenannten Elemente oder einen seitlichen Versatz in radialer Richtung der Kurbelwelle erreicht werden.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der Einrichtung erhält man, indem man die Stützrollen, über welche die Festwalzrollen abgestützt werden, zum Aufbringen einer zusätzlichen Biegekraft heranzieht. Daneben ist auch das Aufspreizen der Wangen der Kurbelwelle mit Hilfe von zusätzlichen Spreizrollen möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung die

Fig. 1 eine Einrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft auf die Kurbelwelle,
Fig. 2 und Fig. 3 eine Einrichtung zum Aufbringen einer Zusatzlast auf die Kurbelwelle,
Fig. 4 und Fig. 5 eine Einrichtung zum Aufbringen eines Biegemoments,
Fig. 6 eine weitere Einrichtung zum Aufbringen eines Biegemoments,
Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 9 jeweils eine Einrichtung zum Aufbringen von Zusatzkräften auf die Kurbelwelle,
Fig. 10 und Fig. 11 jeweils eine Einrichtung zum Aufweiten der Wangen einer Kurbelwelle.

In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird eine Kurbelwelle 6 betrachtet, wie sie beispielsweise in einem 4-Zylinder-Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge verwendet wird. Die Kurbelwelle 6 beginnt an einem Flansch 7, und endet in einem Zapfen 8. Zwischen dem Flansch 7 und dem Zapfen 8 liegen die Haupt- und Pleuellager der Kurbelwelle 6, zwischen denen jeweils die Kurbelwangen 9 angeordnet sind. Beim Betrachten der Fig. 1 von links nach rechts erkennt man zunächst die Hauptlager mit den Bezugsziffern 1, 2, 3, 4 und 5 und die Pleuellager mit den Bezugsziffern 1', 2', 3' und 4'. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind zwei Spannfutter 10 und 11 vorgesehen, die in der Lage sind, eine Zugkraft 12 in axialer Richtung auf die Kurbelwelle 6 aufzubringen.

Bei der Zugbeanspruchung durch die Kraft 12 in axialer Richtung wird die Kurbelwelle 6 während des Festwalzens durch die Spannfutter 10 und 11 gedehnt. Die Kraft 12 erzeugt ein Biegemoment zwischen den Hauptlagern 1 bis 5, den Pleuellagern 1' bis 4' und den jeweils angrenzenden Kurbelwangen 9 in den Übergangsbereichen 13 und 14, wo das Festwalzen von Radien oder Einstichen erfolgt. Die an den festzuwalzenden Übergangsstellen 13 und 14 unter der axialen Kraft 12 in der Kurbelwelle 6 entstehenden Zugspannungen führen dazu, dass kleinere Festwalzkräfte zur plastischen Verformung des Werkstoffs der Kurbelwelle 6 ausreichen oder aber unverändert grosse Festwalzkräfte zu einer grösseren plastischen Verformung des Werkstoffs der Kurbelwelle 6 führen. Dabei entstehen an der Oberfläche der Übergangsbereiche 13 und 14 Druckspannungen.

Beim Aufbringen einer axialen Kraft 12 von beispielsweise 10.000 Newton auf eine vorbestimmte Kurbelwelle 6 würde eine Vorspannung von ¼ der Bruchspannung in der Kurbelwelle 6 erzeugt werden. Damit kann die Höhe der Festwalzkräfte verringert werden.

Nach den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 wird über Stützrollen 15 eine Zusatzlast auf die Kurbelwelle 6 aufgebracht. Die Zusatzlast entspricht der Betriebslast der Kurbelwelle 6 im Motor (nicht gezeigt). In der Fig. 2 ist die Kurbelwelle 6 wiederum in einem Spannfutter 10 gespannt. Im Übergangsbereich 16 bewirken Festwalzrollen 17 das Festwalzen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Hauptlager 1, 2, 3, 4 und 5 und Pleuellager 1', 2', 3' und 4' werden die Festwalzrollen 17 durch Stützrollen 15 abgestützt. Im vorliegenden Beispiel werden die Stützrollen 15 zusätzlich mit einer weiteren Kraft 18 beaufschlagt.

Wie aus der Fig. 3 erkennbar wird die zusätzliche Kraft 18 mit Hilfe eines Zylinders 19 aufgebracht, der von einem Druckmittel beaufschlagbar ist. Die Kraft des Zylinders 19 wirkt über die Kolbenstange 20 unmittelbar auf die Stützrollen 15, die die Walzkraft aus den Festwalzrollen 17 abstützen, während diese die Übergänge 16 am Pleuellager 1' festwalzen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen die Biegemomente 21 und 22, mit denen die Kurbelwelle 6 unter der Wirkung der seitlichen Kräfte 23 und 24 in radialer Richtung belastet wird. Im Falle der Fig. 4 wird das Hauptlager 3 von der seitlichen Kraft 23 über die Stützrollen 15 beaufschlagt und an den Pleuellagern 2' und 3' festgewalzt. Die Festwalzkräfte sind durch die Pfeile 25 dargestellt; die Pfeilrichtung 25 ergibt die Wirkung der Festwalzrollen 17 an. Im Falle der Fig. 5 wird das Hauptlager 3 über Stützrollen 47 mit der seitlichen Kraft 24 beaufschlagt und die Kurbelwelle 6 wird an den Pleuellagern 1' und 4' festgewalzt. Die dort wirkenden Festwalzkräfte, welche über Stützrollen 15 aufgefangen werden, sind mit den Ziffern 26 bezeichnet.

Die Zusatzkraft 24 wird über eine Umdrehung der Kurbelwelle 6 so geändert, dass das Biegemoment 22 der gerade festgewalzten Stelle den gewünschten Betrag und das richtige Vorzeichen hat.

Nach der Fig. 6 wird über Stützrollen 48 eine seitliche Kraft 27 auf den Zapfen 8 der Kurbelwelle 6 aufgebracht. Über die Länge der Kurbelwelle 6 entsteht dabei innerhalb der Kurbelwelle 6 das Biegemoment 28, das vom Spannfutter 10 aufgenommen wird. Die Biegemomente 28 in der Kurbelwelle 6 können auch durch ein weiter entferntes Festwalzgerät (nicht gezeigt) oder über den Reitstock (nicht gezeigt) oder über eine Lünette (nicht gezeigt) erzeugt werden. Wiederum können alle Lager 1 bis 5 und 1' bis 4', für die das Biegemoment 28 in Betrag und Vorzeichen die gewünschte Grösse hat, festgewalzt werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 7 sollen die mittleren Pleuellager 2' und 3' unter Zusatzlast festgewalzt werden. Die Zusatzlast wird von den beiden Zusatzkräften 29 und 30 aufgebracht, welche über ihre jeweiligen Stützrollen 15 auf die Pleuellager 2' und 3' der Kurbelwelle 6 einwirken. Die Festwalzkräfte 31 greifen jeweils am Hauptlager 2, am Pleuellager 2', am Hauptlager 3, am Pleuellager 3' und am Hauptlager 4 an. Die Zusatzkräfte 29 und 30 erzeugen das zusätzliche Biegemoment, entsprechen also den Kolbenkräften eines Motors im oberen Totpunkt. Die drei Stützrollenkräfte 32, 33 und 34 greifen an den Hauptlagern 2, 3 und 4 an und entsprechen somit der Lagerung der Kurbelwelle 6 in einem Motor. Die Stützrollenkräfte 32, 33 und 34 halten den Zusatzkräften 29 und 30 das Gleichgewicht. Auch die Zusatzkräfte 32, 33 und 34 werden jeweils über Stützrollen 15 auf die Kurbelwelle 6 übertragen.

Der bruchgefährdete Bereich der Kurbelwelle 6 kann nun unter der Zusatzlast der Zusatzkräfte 29 und 30 festgewalzt werden. Das gleich gilt für das mittlere Hauptlager 3 und die beiden Hauptlager 2 und 4 über einen Drehwinkel von 180° der Kurbelwelle 6.

Die Pleuellager 1' und 4' können in dieser Konfiguration nicht gewalzt werden, da die Wirkungsrichtung der Festwalzkräfte 31, welche auf die Hauptlager 2, 3 und 4 wirken, in die falsche Richtung zeigen. Zur Abhilfe wird die Kurbelwelle 6 verschoben und sodann um 180° gedreht. Die Fig. 8 zeigt sinngemäss das Festwalzen der beiden Hauptlager 1 und 2 sowie des Pleuellagers 1'. Auf die Hauptlager 1 und 2 wirken die Zusatzkräfte 35 und 36, während auf die Pleuellager 1' und 2' die Zusatzkräfte 37 und 38 wirken. Die Anordnung der Stützrollen 15 ist in der Fig. 8 ebenfalls angedeutet.

Beim Festwalzen der vorderen Hauptlager 4 und 5 und Pleuellager 3' und 4' greifen die Zusatzkräfte 39 und 40 an den Hauptlagern 4 und 5 an und die Zusatzkräfte 41 und 42 an den Pleuellagern 3' und 4', wobei die Kurbelwelle 6 wiederum um 180° weiter gedreht ist.

Anhand der Fig. 10 und 11 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein mittleres Pleuellager 2' einer Kurbelwelle 6 (Fig. 11) wird von den Festwalzrollen 17 eines Festwalzwerkzeugs (nicht angezeigt) bearbeitet. Das Pleuellager 2' dreht sich dabei in Richtung des Pfeils 43. Gegenüber der von den Mitten der Führungsrolle 47 und dem Pleuellager 2' gebildeten Linie ist die Festwalzrolle 17 um eine Betrag 44 in der Drehrichtung 43 versetzt.

Um etwa den selben Betrag 44 in der entgegengesetzten Richtung versetzt ist ein Paar von Aufweitrollen 45 vorgesehen, wie es in der Fig. 11 deutlich erkennbar ist. Die Aufweitrollen 45 wirken in Richtung der Pfeile 46 auf die Wangen 16 der Kurbelwelle 6 ein und weiten die Wangen 16 in Richtung der Pfeile 46 auf. Beispielsweise bei einer Festwalzkraft, die über die Festwalzrollen 17 auf das Pleuellager 2' aufgebracht wird, in Höhe von beispielsweise 4 t, entsteht durch die Aufweitrollen 45 eine axial aufweitende Kraft 46 in der Grössenordnung von 6,2 kN. Hierbei werden sowohl Zugeigenspannungen im Pleuellager 2' als auch in den Kurbelwangen 16 erzeugt.

Ziffernverzeichnis

1: Hauptlager
1': Pleuellager
2: Hauptlager
2': Pleuellager
3: Hauptlager
3': Pleuellager
4: Hauptlager
4': Hauptlager
5: Hauptlager
6: Kurbelwelle
7: Flansch
8: Zapfen
9: Kurbelwange
10: Spannfutter
11: Spannfutter
12: Spannfutter Kraft in axialer Richtung
13: Übergangsbereich
14: Übergangsbereich
15: Stützrolle
16: Übergangsbereich
17: Festwalzrollen
18: zusätzliche Kraft
19: Druckmittelzylinder
20: Kolbenstange
21: Biegemoment
22: Biegemoment
23: seitliche Kraft
24: seitliche Kraft
25: Festwalzkraft
26: Festwalzkraft
27: seitliche Kraft
28: Biegemoment
29: Zusatzkraft Pleuellager
30: Zusatzkraft Pleuellager
31: Festwalzkräfte
32: Zusatzkraft Hauptlager
33: Zusatzkraft Hauptlager
34: Zusatzkraft Hauptlager
35: Zusatzkraft Hauptlager
36: Zusatzkraft Hauptlager
37: Zusatzkraft Pleuellager
38: Zusatzkraft Pleuellager
39: Zusatzkraft Hauptlager
40: Zusatzkraft Hauptlager
41: Zusatzkraft Pleuellager
42: Zusatzkraft Pleuellager
43: Drehrichtung
44: Versatz
45: Aufweitrolle
46: Aufweitung
47: Stützrollen
48: Stützrollen

Claims

Gerät zum Festwalzen von Radien oder Einstichen an Haupt- oder Pleuellagern von Kurbelwellen mit Hilfe von Festwalzrollen und Stützrollen am jeweiligen Haupt- oder Pleuellager zum Abstützen der von den Festwalzrollen auf die Kurbelwelle aufgebrachten Walzkraft, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 11, 15, 23, 24, 28, 45, 47, 48) zum Aufbringen einer zusätzlichen äusseren Belastung der Kurbelwelle (6) während des Festwalzens der Radien oder Einstiche (13, 14, 16).
Gerät nach Anspruch1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus wenigstens einem Spannfutter (10, 11) für die Kurbelwelle (6) besteht, welches eine Zugkraft (12) in Längsrichtung der Kurbelwelle (6) auf die Kurbelwelle aufbringt.
Gerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (23, 24, 27) eine Biegemoment (21, 22, 28) auf die Kurbelwelle (6) aufbringt.
Gerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus einem Spannfutter (10), einem Reitstock oder einer Lünette besteht, zwischen denen die Kurbelwelle (6) eingespannt ist.
Gerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung von den Stützrollen (15, 47, 48) gebildet wird, über die eine zusätzliche Biegespannung auf die Kurbelwelle (6) aufgebracht wird.
Gerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus einem Paar von Spreizrollen (45) besteht.