EP1201364B1 - Apparatus for rolling of crankshafts - Google Patents

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EP1201364B1 EP01120063A EP01120063A EP1201364B1 EP 1201364 B1 EP1201364 B1 EP 1201364B1 EP 01120063 A EP01120063 A EP 01120063A EP 01120063 A EP01120063 A EP 01120063A EP 1201364 B1 EP1201364 B1 EP 1201364B1
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    • B24B39/045—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor designed for working external surfaces of revolution the working tool being composed of a plurality of working rolls or balls

Abstract

An appliance consisting of at least one clamping chuck (10,11) for the crank shaft (6) applies tensile force (12) on the crank shaft in the crank shaft's lengthwise direction. The crank shaft is clamped between a clamping chuck, a tailstock or fixed stay. Additional bending stress is applied to the crank shaft by support rollers., while extra external stress is applied when the passes or radii are being rolled.

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. Ein solches Gerät ist aus US 4 860 566 A bekannt.The invention relates to a device for deep rolling of radii or punctures on main or connecting rod bearings of crankshafts with the help of fixed rollers and support rollers on the respective main or connecting rod bearing for supporting the force applied by the deep rolling rollers on the crankshaft rolling force. Such a device is known from US 4 860 566 A.

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 die 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).It is known to roll crankshafts under additional external force applied in the direction of the load occurring during operation. For example, during the deep rolling of crankshafts, which consist of high-strength materials, such large rolling forces can occur that the crankshaft can no longer be rolled with the normal tools, without the fixed rollers fail after a short time. By applying a tensile load during deep rolling, the external load would permit a reduction in rolling force to produce a similar distribution of axial residual stresses as during deep rolling without external load. In the case of crankshafts, this external load during hard rolling corresponds to an elastic bending of the cheeks of the crankshaft (see Achmus, Christian: "Measurement and Calculation of the Surface Condition of Complex Components after Deep Rolling, Admitted Dissertation Technische Universität Braunschweig 1998, Verlag Papierflieger, Clausthal-Zellerfeld, 1999 , Pages 110 and 111).

Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der US 4,860,566 A ein Gerät zum Festwalzen von Radien oder Einstichen an Haupt- oder Pleuellagern von Kurbelwellen mit Hilfe von Festwalzrollen und Stützrollen bekannt. Am jeweiligen Haupt- oder Pleuellager dienen die Stützrollen zum Abstützen der von den Festwalzrollen auf die Kurbelwelle aufgebrachten Walzkraft. Darüber hinaus ist eine Einrichtung vorhanden zum Aufbringen einer zusätzlichen äußeren Belastung auf die Hauptlager der Kurbelwelle im Anschluss an das Festwalzen der Radien oder,Einstiche. Die zusätzliche Belastung wird jeweils nur über die Festwalzrollen auf die Kurbelwelle aufgebracht und ist demnach zum Richtwalzen der Kurbelwelle vorgesehen.In addition to the above-described prior art, US 4,860,566 A discloses a device for deep rolling of radii or punctures on main or connecting rod bearings of crankshafts with the aid of deep rolling rollers and support rollers. At the respective main or connecting rod bearings, the support rollers serve to support the rolling force applied by the deep rolling rollers to the crankshaft. Moreover, means are provided for applying an additional external load to the main bearings of the crankshaft following the deep rolling of the radii or recesses. The additional load is applied in each case only on the deep rolling rollers on the crankshaft and is therefore provided for straightening the crankshaft.

Ein anderes Gerät zum Aufbringen einer äußeren Biegebelastung auf eine glatte Welle zum Abbau von inneren Spannungen ist schließlich aus der RU 2 086 393 C bekannt. Das bekannte Gerät ist nicht zum Bearbeiten von Kurbelwellen vorgesehen und auch nicht dazu, in ein Werkstück zusätzliche Spannungen einzubringen, um beim gleichzeitigen Einwirken von weiteren Mitteln, wie z.B. Festwalzrollen, die Festigkeit des Werkstücks zu erhöhen.Another device for applying an external bending load to a smooth shaft for reducing internal stresses is finally known from RU 2 086 393 C. The known device is not intended for machining crankshafts and also not to introduce additional stresses in a workpiece in order to increase the strength of the workpiece during the simultaneous action of other means, such as fixed rollers.

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.From the results of the aforementioned publication, the object of the present invention to develop the known per se devices for deep rolling of radii or punctures on main or connecting rod bearings of crankshafts so that the conventional deep-rolling tools have a longer life or with the usual Deep-rolling tools with normal service life to roll down crankshafts, which consist of a high-strength material. The further developed facilities should be simple in their construction, reliable in handling and also inexpensive.

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 gemäß dem Anspruch 1 bzw. 2 gelöst. Nach dem Anspruch 1 besteht die Einrichtung aus wenigstens einem Spannfutter für die Kurbelwelle, welches eine Zugkraft in Längsrichtung der Kurbelwelle auf die Kurbelwelle aufbringen kann.The object is achieved by a device for applying an additional external stress in the direction of the load occurring during operation of the crankshaft during the deep rolling of the radii or recesses according to the claims 1 and 2. According to claim 1, the device consists of at least one chuck for the crankshaft, which can apply a tensile force in the longitudinal direction of the crankshaft to the crankshaft.

Aber auch mit dem Aufbringen eines Biegemoments auf die Kurbelwelle kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden. Eine derartige Einrichtung besteht nach dem Anspruch 2 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.But even with the application of a bending moment on the crankshaft, the object underlying the invention can be achieved. Such a device according to claim 2 consists of a chuck, a tailstock or a steady rest between which the crankshaft is clamped. The chuck, the tailstock or the steady rest are designed such that they can simultaneously generate a bending stress in the crankshaft during the rotation of the crankshaft during the deep rolling process. The generation of the bending stress, for example, by an angular Adjustment of the aforementioned elements or a lateral offset in the radial direction of the crankshaft can be achieved.

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.
The invention will be described in more detail below with reference to several exemplary embodiments. In each case show in a highly simplified, schematic representation of the
  • 1 shows a device for applying a tensile force on the crankshaft,
  • 2 and FIG. 3 a device for applying an additional load to the crankshaft,
  • 4 and FIG. 5 a device for applying a bending moment, FIG.
  • Fig. 6 shows another device for applying a bending moment.

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.In the following embodiments, a crankshaft 6 is considered, as used for example in a 4-cylinder internal combustion engine for motor vehicles. The crankshaft 6 starts at a flange 7, and ends in a pin 8. Between the flange 7 and the Pins 8 are the main and connecting rod bearings of the crankshaft 6, between each of which the crank webs 9 are arranged. When viewing Fig. 1 from left to right, one first recognizes the main bearing with the reference numerals 1, 2, 3, 4 and 5 and the connecting rod bearing with the reference numerals 1 ', 2', 3 'and 4'. In the embodiment of Fig. 1, two chucks 10 and 11 are provided, which are able to apply a tensile force 12 in the axial direction on the crankshaft 6.

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 Übergangsbereichen 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.During the tensile stress by the force 12 in the axial direction, the crankshaft 6 is stretched during the deep rolling by the chucks 10 and 11. The force 12 generates a bending moment between the main bearings 1 to 5, the connecting rod bearings 1 'to 4' and the respective adjacent crank webs 9 in the transition regions 13 and 14, where the deep rolling of radii or punctures takes place. The tensile stresses arising on the transitional areas 13 and 14 under axial force 12 in the crankshaft 6 result in smaller deep rolling forces being sufficient for plastically deforming the material of the crankshaft 6 or, unchanged, leading to large plastic deformation of the material of the crankshaft 6 , This results in the surface of the transition regions 13 and 14 compressive stresses.

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.By applying an axial force 12 of, for example, 10,000 Newton to a predetermined crankshaft 6, a preload of ¼ of the breaking stress in the crankshaft 6 would be generated. Thus, the height of the deep rolling forces can be reduced.

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.According to the embodiments of FIGS. 2 and 3, an additional load is applied to the crankshaft 6 via support rollers 15. The additional load corresponds to the operating load of the crankshaft 6 in the engine (not shown). In Fig. 2, the crankshaft 6 is again stretched in a chuck 10. In the transition region 16 hard rollers 17 cause the deep rolling. On the opposite side of the main bearings 1, 2, 3, 4 and 5 and connecting rod bearings 1 ', 2', 3 'and 4', the deep rolling rollers 17 are supported by support rollers 15. In the present example, the support rollers 15 are additionally subjected to a further force 18.

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.As can be seen from FIG. 3, the additional force 18 is applied by means of a cylinder 19, which can be acted on by a pressure medium. The force of the cylinder 19 acts via the piston rod 20 directly on the support rollers 15, which support the rolling force from the fixed rollers 17, while these roll the transitions 16 at the connecting rod bearing 1 '.

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.4 and 5 show the bending moments 21 and 22, with which the crankshaft 6 is loaded under the action of the lateral forces 23 and 24 in the radial direction. In the case of FIG. 4, the main bearing 3 is acted upon by the lateral force 23 via the support rollers 15 and firmly rolled on the connecting rod bearings 2 'and 3'. The deep rolling forces are represented by the arrows 25; the direction of the arrow 25 indicates the effect of the deep rolling rollers 17. In the case of Fig. 5, the main bearing 3 is acted upon by support rollers 47 with the lateral force 24 and the crankshaft 6 is fixedly rolled on the connecting rod bearings 1 'and 4'. The solid rolling forces acting there, which are absorbed by support rollers 15, are designated by the numbers 26.

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.The additional force 24 is changed over a revolution of the crankshaft 6 so that the bending moment 22 of the just-rolled point has the desired amount and the correct sign.

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.According to FIG. 6, a lateral force 27 is applied to the journal 8 of the crankshaft 6 via support rollers 48. Over the length of the crankshaft 6, the bending moment 28, which is received by the chuck 10, arises within the crankshaft 6. The bending moments 28 in the crankshaft 6 can also be generated by a further distant deep-rolling device (not shown) or via the tailstock (not shown) or via a steady rest (not shown). Again, all bearings 1 to 5 and 1 'to 4', for which the bending moment 28 in magnitude and sign of the desired size, are rolled.

Claims (2)

  1. A device for the deep rolling of radii annular fillets of main bearing (1, 2, 3, 4, 5) or pin bearing (1', 2', 3', 4') of crankshafts (6) by means of deep rollers (17) and support rollers (15, 47, 48) at the respective main bearing (1, 2, 3, 4, 5) and pin bearing (1', 2', 3', 4') to support the rolling force (25, 26) applied by the deep rollers (27) to the crankshaft (6), characterised by two chucks (10, 11) to apply a tensile or compressive force (12) in the axial direction of the crankshaft (6) during the deep rolling of the radii or annular fillets (13, 14, 16) thereof.
  2. A device for the deep rolling of radii annular fillets of main bearing (1, 2, 3, 4, 5) or pin bearing (1', 2', 3', 4') of crankshafts (6) by means of deep rollers (17) and support rollers (15, 47, 48) at the respective main bearing (1, 2, 3, 4, 5) and pin bearing (1', 2', 3', 4') to support the rolling force (25, 26) applied by the deep rollers (27) to the crankshaft (6), characterised by a chuck (10), a tailstock or a backrest, between which the crankshaft (6) is clamped, to apply a bending torque (21, 22, 28) to the crankshaft (6) during the deep rolling of the radii or annular fillets (13, 14, 16) thereof.
EP01120063A 2000-10-25 2001-08-21 Apparatus for rolling of crankshafts Expired - Lifetime EP1201364B1 (en)

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