EP1417422A1 - Leichtbaukurbelwelle - Google Patents

Leichtbaukurbelwelle

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Publication number
EP1417422A1
EP1417422A1 EP02769869A EP02769869A EP1417422A1 EP 1417422 A1 EP1417422 A1 EP 1417422A1 EP 02769869 A EP02769869 A EP 02769869A EP 02769869 A EP02769869 A EP 02769869A EP 1417422 A1 EP1417422 A1 EP 1417422A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
crankshaft
metal
coating
moldings
recesses
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02769869A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Behr
Karl-Ludwig Weisskopf
Tilman Haug
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1417422A1 publication Critical patent/EP1417422A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0072—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making objects with integrated channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/04—Crankshafts, eccentric-shafts; Cranks, eccentrics
    • F16C3/06—Crankshafts
    • F16C3/08—Crankshafts made in one piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/04—Crankshafts, eccentric-shafts; Cranks, eccentrics
    • F16C3/06—Crankshafts
    • F16C3/10—Crankshafts assembled of several parts, e.g. by welding by crimping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2220/00—Shaping
    • F16C2220/02—Shaping by casting
    • F16C2220/04—Shaping by casting by injection-moulding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/21—Elements
    • Y10T74/2142—Pitmans and connecting rods
    • Y10T74/2162—Engine type

Definitions

  • the invention relates to mechanical crankshafts, e.g. be used in drives.
  • the invention relates to (partially) cast crankshafts and methods for their production.
  • Drive shafts are subject to high mechanical loads and are therefore usually made of solid material (steel).
  • a massive crankshaft made of forged steel or nodular cast iron (GGG70) is therefore the heaviest engine component in motor vehicles with a dead weight of 12 to 40 kg.
  • a not massive and therefore lighter crankshaft has a favorable influence on the achievable speeds and leads to lower fuel consumption due to the reduction of moving masses.
  • the patent specification DE 43 14 138 Cl describes, inter alia, for use as a crankshaft - a hollow shaft in which the core is made from a steel tube, which is then inserted into a casting mold and cast with the desired casting metal (eg cam body).
  • the desired casting metal eg cam body
  • the central steel tube loses stability due to the compression deformation, because on the one hand the deformation of the wall reduces the thickness of the wall and on the other hand there are unfavorable stress profiles due to local deviations from the symmetrical cylindrical shape.
  • this version of a crankshaft cannot meet the requirements with regard to rigidity, since the degree of deformation between the main and the pin bearing would be much too great.
  • crankshafts are also known, in which both in Area of the axis of rotation, as well as cavities of different designs are provided in the area of the eccentric structures.
  • the cavities offer advantages with regard to the weight of the crankshaft, but the strength or rigidity of the crankshaft is reduced by the cavities and / or recesses compared to a solid construction.
  • JP 55-103112 A discloses crankshafts, in which metallic cores are inserted during casting, which remain in the crankshaft.
  • these cores are fastened to straight tubes during casting, which serve to guide oil in the crankshaft.
  • the abstract of JP 55-078813 also describes the attachment of, however differently designed cores to the oil guide tubes of a crankshaft during casting.
  • the metallic cores can easily melt.
  • the metallic cores also contribute to an increase in the weight of the crankshaft.
  • the invention is based on the prior art set out. It is based on the task of developing a crankshaft and the corresponding manufacturing process, on the one hand achieving a further reduction in the weight of the shaft, and on the other hand increasing the mechanical stability so that the disadvantages listed are better overcome and further advantages (e.g. with regard to Smoothness) can be achieved.
  • crankshaft with the features of claim 1.
  • the corresponding manufacturing method is the subject of claim 6.
  • Cast crankshafts point towards forged crankshafts! lower stiffness due to the material (axial, bending and torsional stiffness), which is due to the lower modulus of elasticity (steel: 210,000 MPa; nodular cast iron: 160,000 MPa). Due to the high freedom of form and design when casting, this disadvantage can be avoided by constructive measures such as ribbing (s) or an optimization of the power flow special shape can be reduced.
  • the invention makes use of the possibility of providing the shaft or the bearing with cavities and / or recesses in a targeted manner by casting.
  • a hollow design can lead to a weight reduction of the shaft of up to 50%.
  • the hollow design of the bearings is usually associated with a reduction in the rigidity of the component.
  • This disadvantage can be partially overcome by special shaping of the cavities or recesses, since the geometry of the cavity design has a significant influence on the level of the reduction in stiffness (axial, bending and torsional stiffness).
  • the casting process enables a wide variety of cavity geometries (e.g. conical, cylindrical, closed, open on one side, open on two sides) to be displayed, although the shape can also vary across the cross-section.
  • a further increase in strength is achieved by integrating molded metal bodies as reinforcing elements, in particular those made of steel.
  • a complete or partial coating of the displacement bodies is provided. Furthermore, the coating can prevent the diffusion of substances, in particular carbon, from the melt into the displacement bodies, which would otherwise have a negative influence on the mechanical parameters.
  • this coating can be applied by means of thermal spraying processes (for example arc wire spraying, plasma coating), sol-gel, galvanically or as a size (A1 2 0 3 , Y 2 0 3 / A1 2 0 3 , Ti0 2 / Al 2 O 3 , MgAl 2 0 4 , Zr / Al silicate, NiCrAlY and NiTi layers, boron nitride; generally metal oxides) are applied.
  • thermal spraying processes for example arc wire spraying, plasma coating
  • sol-gel galvanically or as a size (A1 2 0 3 , Y 2 0 3 / A1 2 0 3 , Ti0 2 / Al 2 O 3 , MgAl 2 0 4 , Zr / Al silicate, NiCrAlY and NiTi layers, boron nitride; generally metal oxides) are applied.
  • the listed stiffness-optimized constructions with reinforcement elements can basically be used for all common cast alloys for crankshafts (e.g. spheroidal cast iron according to DIN EN 1563).
  • spheroidal cast iron e.g. spheroidal cast iron according to DIN EN 1563.
  • the use of bainitic cast iron (ADI Austempered Ductile Iron) according to DIN EN 1564 also offers, due to the subsequent heat treatment, the possibility of relieving the stresses that may have arisen from the pouring of reinforcing elements.
  • crankshaft according to the invention and the corresponding production method are described below with the aid of preferred embodiments, reference being made to the figures and the reference numbers contained therein.
  • Figure 1 is a three-dimensional representation of a portion of a crankshaft with hollow shaped metal bodies as reinforcing elements. 2 shows a sectional view through the section of the crankshaft according to FIG. 1;
  • crankshafts each with different reinforcing elements
  • FIG. 8 shows a sectional illustration through an embodiment of a cast crankshaft with oil guide tubes and displacement bodies attached thereto;
  • FIG. 9 shows a three-dimensional representation of a section of a crankshaft with a multiplicity of individual reinforcing elements in a region of the crankshaft.
  • FIG. 1 A possible embodiment of a crankshaft (1) or a section thereof is shown in a three-dimensional representation in FIG.
  • cylindrical hollow metal moldings (2) made of steel are mounted in the core (3) of the crankshaft (1) along the main axis, and further cylindrical hollow metal moldings (2) are arranged eccentrically in the area of the bearings (4).
  • the metal moldings (2) introduced in the different areas serve as reinforcing elements for the crankshaft (1).
  • a cast-in tube (5) which is used, for example, to guide the oil, can be seen in FIG. 1, but is not relevant to the invention in the form shown here, and which is therefore only discussed in detail in the context of FIG.
  • a complete or partial coating (6) of the metal moldings (2) is provided. Furthermore, the coating (6) can prevent the C diffusion from the melt into the metal moldings (2), which would otherwise have a negative influence on the mechanical characteristics.
  • the coating (6) can be applied by means of thermal spraying processes (e.g. arc wire spraying, plasma coating), sol-gel, galvanically or as a size (A1 2 0 3 , Y 2 0 3 / A1 2 0 3 , Ti0 2 / Al 2 0 3 , MgAl 2 0 4 , Zr / Al silicate, NiCrAlY and NiTi layers, boron nitride; generally metal oxides) are applied.
  • thermal spraying processes e.g. arc wire spraying, plasma coating
  • sol-gel galvanically or as a size (A1 2 0 3 , Y 2 0 3 / A1 2 0 3 , Ti0 2 / Al 2 0 3 , MgAl 2 0 4 , Zr / Al silicate, NiCrAlY and NiTi layers, boron nitride; generally metal oxides) are applied.
  • Figure 2 shows the same structure of the crankshaft (1), as it was seen in Figure 1, again in a cross section.
  • FIG. 3 the particularly simple (and thus inexpensive) variant of the crankshaft (1) according to the invention is shown again in a cross section through the entire crankshaft (1) analogously to FIG.
  • This simple design provides metal moldings (2) of the same geometric shape (cylinder) and the same orientation (cylinder axis parallel to the axis of rotation of the shaft).
  • Simple cylindrical metal moldings (2) can also have different orientations (cylinder axis at an angle to the axis of rotation) (not shown) without additional manufacturing expenditure.
  • Figure 4 shows an embodiment in which in eccentric areas (3) of the crankshaft (1) ⁇ angled metal body (2) are introduced with sections of cylindrical profile (in the manner of a curved tube). This changed geometry causes a significant increase in rigidity, so that the mechanical strength of the crankshaft (2) is largely retained despite the weight reduction.
  • the force flow in the area of the metal molded body can be selected by the choice of the angle
  • crankshaft (1) is shown so that it has the metal moldings (2) with an identical shape only
  • FIG. 5 An alternative exemplary embodiment is shown in FIG. 5, in which the metal moldings (2) are provided with a varying cross section and an almost closed outer contour. Due to the expanded shape of these metal moldings (2) in the interior, the material reduction is relatively high and at the same time the stress curve is favorably influenced, so that higher loads are possible. These shaped metal bodies (2) can be introduced in different areas (axial, eccentric) of the shaft and can also be combined with differently shaped shaped metal bodies (2).
  • FIG. 6 Another way of reducing weight is shown in FIG. 6.
  • no continuous metal moldings (2) are used, but cavern-like recesses (7) are made axially or in eccentric areas of the crankshaft (1), in which the corresponding ones molded metal hollow body (2) are used.
  • the shape of the recesses (7) and thus also the shaped metal body (2) can, as shown, be conical (also with a different opening angle, preferably between 15 ° -45 °).
  • the recesses (7) can be oriented differently from one another and from the axis of rotation of the shaft (1). Varying sizes and other shapes (spherical cap, spherical segment, elliptical section, truncated cone, etc.) are also possible (not shown).
  • identical recesses (7) are arranged symmetrically in pairs, whereby webs (8) remain between the recesses, which have a stabilizing effect.
  • a combination of recesses (7) with shaped metal bodies (2) and shaped metal bodies (2) according to the various designs described above can be used in a crankshaft (1) and can be advantageous for certain load specifications.
  • FIG. 7 A mechanically particularly stable embodiment is shown in FIG. 7.
  • the weight-reducing cavity in the metal body (2) is embedded completely closed in the material of the crankshaft (1) without openings.
  • this version delivers the highest load values with regard to the force flow, which - as will be explained later - can be further optimized by stabilizing filler material.
  • the metal moldings (2) can be used as an alternative to, certainly as preferred pouring, can also be introduced into previously made cavities and glued there. This variant is particularly interesting for the embodiment according to FIG. 6.
  • the design of the cavities can be done directly during the casting process by inserting the corresponding metal moldings (2) as reinforcing elements, e.g. made of high-melting steel or iron, various geometries (conical, cylindrical, closed, open on one side, open on two sides, solid or in particular also hollow - as always shown so far) and wall thicknesses (also varying across the cross-section).
  • the metal moldings (2) remaining in the component lead to a stiffening of the crankshaft (1) due to their higher modulus of elasticity and their geometric shape and arrangement.
  • such hollow metal moldings (2) can also be filled as reinforcing elements with a stabilizing filler material (not shown), so that there are further strength-increasing effects.
  • a stabilizing filler material (not shown), so that there are further strength-increasing effects.
  • materials are preferably used which, on the one hand, can withstand a high mechanical load and, on the other hand, have a significantly lower weight compared to the solid material of the crankshaft (1) and the metal molded body (2). Filling the metal moldings (2) with metal foam, for example, leads to considerable stiffening with only a slight increase in mass of the crankshaft (1).
  • different metals e.g. Aluminum, zinc, iron, steel and alloys can be used.
  • the metal foams can be introduced into the metal moldings (2) before casting, or on the other hand afterwards by foaming the cavities in the metal moldings (2) with the appropriate semi-finished product (for example consisting of metal powder and blowing agent, for example titanium hydride and subsequent heat treatment by means of an oven or inductively).
  • the appropriate semi-finished product for example consisting of metal powder and blowing agent, for example titanium hydride and subsequent heat treatment by means of an oven or inductively.
  • small pieces of metal foam can be introduced into the cavities through the remaining openings and glued there. This variant is of particular interest for the embodiment which has been explained in accordance with FIG. 6.
  • metal foam as a stabilizing filler material has the additional advantage that natural vibrations of the crankshaft (1) are damped while running. This significantly improves the smoothness (acoustics, vibration) of the crankshaft (1).
  • the coated metal molded body (2) is fixed as a displacement body at the corresponding positions during casting and thus at least partially cast in, the coating (6) acting in the form already described above.
  • FIG. 8 shows the fixation of such displacement bodies in the casting mold (not shown) by means of metal pipes (9), which preferably consist of a high-melting iron or steel material and at the same time can represent oil guide pipes.
  • the displacement bodies to be inserted are connected to the metal pipes (1) to be poured in prior to insertion, e.g. by welding.
  • these can also be solid or at least partially solid to further increase the strength, as is shown in FIG. 9.
  • the entire cross section of the metal moldings (2) in each region of the crankshaft (1) is divided into a plurality of individual metal moldings (2) as reinforcing elements in FIG.
  • the metal moldings (2) are also stored during casting in such a way that they have at least one, but in particular two degrees of freedom when the crankshaft (1) cools down and can move accordingly, the formation of harmful residual stresses during cooling is further reduced. It can also be seen in FIG. 9 that the shaped metal bodies (2) are each arranged at a distance from the neutral or little loaded neutral fiber of the crankshaft (1).
  • the individual metal moldings (2) can thus be arranged very easily in the most heavily loaded areas, comparable to the fibers a fiber composite material.
  • a hollow space or a hollow metal molded body (2) could then be ideally arranged in the area of the neutral fiber (not shown).
  • the design and the cross-sectional geometry of all metal moldings (2) are arbitrary, so that they can be adapted to the given load requirements.
  • a suitable cross-sectional shape can also be used to fix the metal body (2) in the crankshaft, e.g. through cross-sectional forums with undercuts or the like, which ensure a positive connection with the crankshaft (1) after casting.

Landscapes

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  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Kurbelwelle (1) und das entsprechende Herstellungsverfahren. Zur Reduzierung des Eigengewichts weist die Kurbelwelle (1) wahlweise zum einen axial (Bereich 3) gelegene, zum anderen in exzentrischen Teilen (4) der Kurbelwelle (1) - wie z.B. Hauptlager, Pleuel - Ausnehmungen (7) oder Hohlräume auf. Zur Verstärkung der mechanischen Stabilitätseigenschaften der Kurbelwelle (1) sind zumindest einige der Hohlräume oder Ausnehmungen (7) mit hochfesten Verstärkungselementen versehen. Zur Abgrenzung der als Metallformkörper (2), vorzugsweise aus Stahl, ausgebildeten Verstärkungselemente von dem Material der Kurbelwelle (1) sind diese mit einer Beschichtung (6) versehen.

Description

Leichtbaukurbelwelle
Die Erfindung betrifft mechanische Kurbelwellen, wie sie z.B. in Antrieben eingesetzt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung (teil-) gegossene Kurbelwellen und Verfahren zu deren Herstellung.
Antriebswellen sind mechanisch hoch belastet und daher üblicherweise aus Vollmaterial (Stahl) gefertigt. Eine massive Kurbelwelle aus geschmiedetem Stahl oder Kugelgraphitguss (GGG70) ist daher mit einem Eigengewicht von 12 bis 40 Kg die schwerste Motorkomponente bei Kraftfahrzeugen.
Eine nicht massive und daher leichtere Kurbelwelle übt einen günstigen Einfluß auf die erreichbaren Drehzahlen aus und führt durch die Reduktion bewegter Massen zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Weitere positive Nebeneffekte ergeben sich für die Lagerung der Welle, Pleuel, Gehäusevolumen und Startergenerator und ermöglichen durch Reduktion des Gegengewichtsradius eine Verringerung der Motorbauhöhe.
Zur Reduzierung des Gewichts gibt es technische Ansätze, den Kern der Welle axial hohl auszubilden. So beschreibt die Patentschrift DE 43 14 138 Cl u.a. für den Einsatz als Kurbelwelle - eine Hohlwelle, bei der der Kern aus einem Stahlrohr gefertigt ist, welches dann in einer Gießform eingesetzt wird und mit dem gewünschten Gießmetall umgössen (z.B. Nockenkörper) gebildet werden. Für eine weitere Reduzierung des Gewichts in Bereichen der Welle, die exzentrisch hervortreten (Nockenkörper) , wird in der Patentschrift vorgeschlagen, den Stahlrohrkern in diesen Bereichen durch Druckverformung auszuweiten, um so auch bei diesen besonders schweren Gewichtsanteilen der Welle Material
(Gußmetall) einzusparen.
Bei einer so gefertigten Welle sind mögliche Gewichtseinsparungen grundsätzlich eingeschränkt, da nur das zentrale Stahlrohr (mit Druckverformungen) zur Materialreduktion beiträgt. Dabei erfolgt eine Masseverringerung nur im Kernbereich der Welle, d.h. Trägheitsmomente exzentrischer Bereiche mit größerem axialen Abstand werden nur unwesentlich reduziert. Nachteilig ist bei diesem Verfahren auch, dass eine Druckverformung eines Stahlrohrkerns (vorgeschlagene Wandstärke bis 4 Millimeter) an mehreren, über die Länge der Welle verteilte Stellen fertigungstechnisch relativ aufwendig ist (erforderlich ist nach der Lehre der genannten Patentschrift eine schlagartige Innendruckbelastung bis 4000 bar) . Zudem verliert das zentrale Stahlrohr gerade durch die Druckverformungen an Stabilität, da zum einen durch die Verformung in diesen Bereichen die Stärke der Wandung verringert ist und zum anderen durch lokale Abweichungen von der symmetrischen Zylinderform ungünstige Spannungsverläufe entstehen. Für moderne Hochleistungsantriebe, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden, kann diese Ausführung einer Kurbelwelle den Anforderungen bzgl. Steifigkeit nicht genügen, da der Verformungsgrad zwischen Haupt- zum Hublager viel zu groß wäre.
Aus den Schriften DE 4 85 336 C, DE 7 14 558 C sowie aus der DD 22 40 sind außerdem Kurbelwellen bekannt, bei welchen sowohl im Bereich der Rotationsachse, als auch im Bereich der exzentrischen Strukturen Hohlräume unterschiedlicher Ausgestaltung vorgesehen sind.
Die Druckschriften DE 74 27 967 Ul und DE 27 06 072 AI beschreiben gegossene Kurbelwellen, deren Gewicht nicht durch Hohlräume sondern durch seitliche, im Bereich der exzentrischen Strukturen angeordnete Ausnehmungen reduziert wird.
Die DE 10 22 426 B geht dabei sogar noch einen Schritt weiter und bildet praktisch die gesamte Kurbelwelle hohl aus.
All diesen Kurbelwellen ist es gemeinsam, dass durch die Hohlräume zwar Vorteile hinsichtlich des Gewichts der Kurbelwelle zu erzielen sind, die Festigkeit bzw. Steifigkeit der Kurbelwelle wird durch die Hohlräume und/oder Ausnehmungen jedoch gegenüber einer massiven Bauweise herabgesetzt.
Um diesem Punkt der geringeren Festigkeit und Steifigkeit entgegenzuwirken sind dem Abstract der JP 55-103112 A Kurbelwellen bekannt, bei welchen während des Gießens metallische Kerne eingelegt sind, welche in der Kurbelwelle verbleiben. In dem Abstract der JP 56-131819 A sind diese Kerne während des Gießens an geraden Rohren befestigt, welche zu Führung von Öl in der Kurbelwelle dienen. Auch der Abstract der JP 55-078813 beschriebt die Befestigung von, allerdings andersartig ausgebildeten Kernen an den Ölführungsrohren einer Kurbelwelle während des Gießens.
Ein Nachteil ist darin zusehen, dass es zu sich verschlechternden Eigenschaften sowohl bei den metallischen Kernen, als auch bei der Kurbelwelle selbst kommen kann, da durch Diffusion Stoffe zwischen den beiden Partnern ausgetauscht werden, welche dann beim Abkühlen zu sich verändernden Eigenschaften führen können. Als Beispiel hierfür sei die Diffusion von Kohlenstoff und die sich daraus ergebenden Gefügeausbildungen von z.B. gehärtetem Stahl bei langsamer Abkühlung genannt.
Des weiteren kann es sehr leicht zu einem Aufschmelzen der metallischen Kerne kommen.
Die metallischen Kerne tragen außerdem wieder zu einer Erhöhung des Gewichts der Kurbelwelle bei.
Die Erfindung geht aus von dem dargelegten Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle sowie das entsprechende Herstellungsverfahren zu entwickeln, wobei einerseits eine weitergehende Reduzierung des Eigengewichts der Welle erreicht werden, und andererseits die mechanische Stabilität gesteigert werden soll, so dass die aufgeführten Nachteile besser überwunden und weitere Vorteile (z.B. bzgl. Laufruhe) erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kurbelwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das entsprechende Herstellungsverfahren ist Gegenstand des Anspruchs 6.
Gegossene Kurbelwellen weisen gegenüber geschmiedeten Kurbelwel! werkstoffbedingt eine geringere Steifigkeit (Axial-, Biege- und Torsionssteifigkeit) auf, welche durch den geringeren E-Modul begründet wird (Stahl: 210.000 MPa; Sphäroguss: 160.000 MPa) . Durch die hohe Gestalt- und Designfreiheit beim Giessen kann dieser Nachteil jedoch durch konstruktive Maßnahmen wie Verrippung (en) oder einer Optimierung des Kraftflusses durch spezielle Formgebung vermindert werden.
Die Erfindung nutzt die durch das Giessen bestehende Möglichkeit einer gezielten Ausstattung der Welle bzw. der Lager mit Hohlräumen und/oder Ausnehmungen. Eine solche Hohlgestaltung kann - je nach Wellentyp - zu einer Gewichtsreduktion der Welle von bis zu 50% führen. Dabei ist die Hohlgestaltung der Lager meist mit einer Reduzierung der Steifigkeit des Bauteils verbunden. Dieser Nachteil kann durch spezielle Formgebung der Hohlräume oder Ausnehmungen teilweise überwunden werden, da die Geometrie der Hohlgestaltung einen signifikanten Einfluß auf die Höhe der Steifigkeitsreduktion (Axial-, Biege- und Torsionssteifigkeit) hat. Durch das Fertigungsverfahren Giessen können die unterschiedlichsten Hohlraumgeometrien (z.B. konisch, zylindrisch, geschlossen, einseitig offen, zweiseitig offen) dargestellt werden, wobei die Form auch über den Querschnitt variieren kann. Durch die Integration von Metallformkörpern als Verstäkungselemente, insbesondere solche aus Stahl, wird eine weiter Steigerung der Festigkeit erreicht.
Zur Einstellung der Grenzflächen zwischen den Verstärkungselementen und dem Gusswerkstoff und zur Verhinderung des Aufsch elzens der Verstärkungselemente, wenn dies als Verdrängungskörper eingesetzt werden, ist eine vollständige oder teilweise Beschichtung der Verdrängungskörper vorgesehen. Des weiteren kann die Beschichtung die Diffusion von Stoffen, insbesondere von Kohlenstoff, aus der Schmelze in die Verdrängungskörper verhindern, welche ansonsten einen negativen Einfluß auf die mechanischen Kennwerte nach sich ziehen würde. Diese Beschichtung kann gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels thermischer Spritzverfahren (z.B. Lichtbogendrahtspritzen, Plasmabeschichtung) , Sol-Gel, galvanisch oder als Schlichte (A1203, Y203/A1203, Ti02/Al2O3, MgAl204, Zr/Al-Silicat, NiCrAlY- und NiTi-Schichten, Bornitrid; generell Metall-Oxide) aufgetragen werden.
Die aufgeführten steifigkeitsopti ierten Konstruktionen mit Verstärkungselementen sind grundsätzlich für alle üblichen Gusslegierungen für Kurbelwellen (z.B. Sphäroguss nach DIN EN 1563) einsetzbar. Die Verwendung von bainitischem Gusseisen (ADI Austempered Ductile Iron) nach DIN EN 1564 bietet darüber hinaus, bedingt durch die anschließende Wärmebehandlung, die Möglichkeit, die durch das Eingiessen von Verstärkungselementen vielleicht entstandenen Spannungen abzubauen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche .
Die erfindungsgemäße Kurbelwelle und das entsprechende Herstellungsverfahren wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Abbildungen und die darin aufgeführten Bezugsziffern.
Es zeigt:
Fig. 1 eine dreidimensionale Darstellung eines Abschnitts einer Kurbelwelle mit hohlen Metallformkörpern als Verstärkungselemente; Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Abhschnitt der Kurbelwelle gemäß Figur 1;
Fig. 3 bis Fig. 7 Schnittdarstellungen durch verschiedene Ausführungsformen von Kurbelwellen mit jeweils unterschiedlichen Verstärkungselementen;
Fig. 8 eine Schnittdarstellungen durch eine Ausführungsformen einer gegossenen Kurbelwellen mit Ölführungsrohren und daran angebrachten Verdrängungskörpern; und
Fig. 9 eine dreidimensionale Darstellung eines Abschnitts einer Kurbelwelle mit einer Vielzahl von einzelnen Verstärkungselementen in einem Bereich der Kurbelwelle .
In Figur 1 ist in einer dreidimensionalen Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Kurbelwelle (1) bzw. eines Abschnitts davon dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zylindrische hohle Metallformkörper (2) aus Stahl zum einen im Kern (3) der Kurbelwelle (1) entlang der Hauptachse angebracht und weitere zylindrische hohle Metallformkörper (2) im Bereich der Lager (4) exzentrisch angeordnet. Die in den verschiedenen Bereichen eingebrachten Metallformkörper (2) dienen als Verstärkungselemente für die Kurbelwelle (1) . Sie können dabei unterschiedliche Durchmesser haben, um den jeweiligen Belastungen an verschiedenen Stellen der Welle Rechnung zu tragen. Außerdem ist in Figur 1 ein eingegossenes Rohr (5) , das beispielsweise zur Olführung dient, zu erkennen, welches jedoch für die Erfindung in der hier dargestellten Form nicht relevant ist, und auf welches daher erst im Rahmen der Figur 8 näher eingegangen wird.
Zur Einstellung der Grenzflächen zwischen den als Verstärkungselemente dienenden Metallformkörpern (2) und dem Gusswerkstoff der Kurbelwelle (1) und zur Verhinderung des Aufschmelzens, wenn die Metallformkörper beim Guss der Kurbelwelle (1) als Verdrängungskörper eingesetzt werden, ist eine vollständige oder teilweise Beschichtung (6) der Metallformkörper (2) vorgesehen. Des weiteren kann die Beschichtung (6) die C-Diffusion von der Schmelze in die Metallformkörper (2) verhindern, welche ansonsten einen negativen Einfluß auf die mechanischen Kennwerte nach sich ziehen würde.
Die Beschichtung (6) kann mittels thermischer Spritzverfahren (z.B. Lichtbogendrahtspritzen, Plasmabeschichtung) , Sol-Gel, galvanisch oder als Schlichte (A1203, Y203/A1203, Ti02/Al203, MgAl204, Zr/Al-Silicat, NiCrAlY- und NiTi-Schichten, Bornitrid; generell Metall-Oxide) aufgetragen werden.
Figur 2 zeigt den selben Aufbau der Kurbelwelle (1), wie er in Figur 1 zu erkennen war, nochmals in einem Querschnitt.
In Figur 3 ist die besonders einfache (und damit kostengünstige) Variante der erfindungsgemäßen Kurbelwelle (1) analog zu Figur 1 nochmals in einem Querschnitt durch die gesamt Kurbelwelle (1) dargestellt. Vorgesehen sind bei dieser einfachen Ausführung Metallformkörper (2) gleicher geometrischer Form (Zylinder) und gleicher Ausrichtung (Zylinderachse parallel zur Rotationsachse der Welle) . Ohne fertigungstechnischen Mehraufwand können einfache zylindrische Metallformkörper (2) auch unterschiedliche Orientierungen (Zylinderachse mit Winkel zur Rotationsachse) aufweisen (nicht dargestellt) .
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in exzentrischen Bereichen (3) der Kurbelwelle (1) λgewinkelte Metallformkörper (2) mit abschnittsweise zylindrischem Profil (in der Art eines gebogenen Rohrs) eingebracht sind. Diese veränderte Geometrie bewirkt eine deutliche Erhöhung der Steifigkeit, so dass die mechanische Belastbarkeit der Kurbelwelle (2) trotz Gewichtsreduktion weitgehend erhalten bleibt. Durch Wahl des Winkels kann der Kraftfluss im Bereich des Metallformkörpers
(2) definiert werden, wobei für die meisten Anforderungen ein Bereich des Winkels zwischen 15° bis 45° vorteilhaft ist, aber auch andere Werte sind natürlich nicht ausgeschlossen. In Figur 4 ist die Kurbelwelle (1) so dargestellt, dass sie die Metallformkörper (2) mit ausschließlich identischer Form
(Winkel, Durchmesser) aufweist. In Abweichung von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können für Anpassungen an die lokal unterschiedlichen Belastungen verschiedene λgewinkelteλ Metallformkörper (2) (d.h. Variation in Winkel und Durchmesser) in der Kurbelwelle (1) zum Einsatz kommen.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt, bei dem die Metallformkörper (2) mit variierendem Querschnitt und nahezu geschlossener Außenkontur vorgesehen sind. Durch die im Innenbereich aufgeweitete Form dieser Metallformkörper (2) ist die Materialreduktion relativ hoch und gleichzeitig der Spannungsverlauf günstig beeinflußt, so daß höhere Belastungen möglich sind. Diese Metallformkörper (2) können in verschiedenen Bereichen (axial, exzentrisch) der Welle eingebracht werden und auch mit anders geformten Metallformkörper (2) kombiniert werden.
Eine andere Möglichkeit der Gewichtsreduzierung ist in Figur 6 dargestellt. In dieser Ausführung werden keine durchgängigen Metallformkörper (2) eingesetzt, sondern kavernenartige Ausnehmungen (7) axial bzw. in exzentrischen Bereichen der Kurbekwelle (1) angebracht, in welche dann die entsprechnend geformten Metallhohlkörper (2) eingesetzt sind. Die Form der Ausnehmungen (7) und damit auch der Metallformkörper (2) kann dabei wie dargestellt konisch (auch mit unterschiedlichem Öffnungswinkel, vorzugsweise zwischen 15°-45°) ausgebildet sein. Ebenso können die Ausnehmungen (7) zueinander und zur Rotationsachse der Welle (1) unterschiedlich orientiert sein. Variierende Größen und andere Formen (Kalotte, Kugelsegment, Ellipsenabschnitt, abgestumpfter Kegel, usw.) sind ebenso möglich (nicht dargestellt) . Vorzugsweise ist am Eintritt der Lager ein größerer Durchmesser vorhanden, zur Mitte der Lager ein kleinerer, um die Steifigkeit zu optimieren und auch in diesem Bereich eine Olführung zu ermöglichen.
In der in Figur 6 dargestellten Ausführung sind identische Ausnehmungen (7) paarweise symmetrisch angeordnet, wodurch Stege (8) zwischen den Ausnehmungen verbleiben, die eine stabilisierende Wirkung haben. Grundsätzlich kann aber auch eine Kombination von Ausnehmungen (7) mit Metallformkörpern (2) und Metallformkörper (2) gemäß den verschiedenen zuvor beschriebenen Ausbildungen in einer Kurbelwelle (1) angewendet werden und für bestimmte Belastungsvorgaben vorteilhaft sein.
Eine mechanisch besonders stabile Ausführungsform ist in Figur 7 dargestellt. Dabei ist der gewichtsreduzierende Hohlraum in dem Metallfromkörper (2) ohne Öffnungen vollständig geschlossen im Material der Kurbelwelle (1) eingebettet. Dadurch und durch entsprechende Formgebung (z.B. elliptisch, kugelförmig) liefert diese Ausführung bezüglich des Kraftflusses höchste Belastungswerte, die - wie später noch erläutert wird - durch stabilisierendes Füllmaterial noch optimiert werden können.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 3, 4 und 6 können die Metallformkörper (2) alternativ zum, sicherlich als bevorzugt anzusehenden Eingiessen, auch in zuvor hergestellte Hohlräume eingebracht und dort verklebt werden. Diese Variante ist insbesondere für die Ausführungsform gemäß Figur 6 interessant.
Die Gestaltung der Hohlräume kann dabei direkt beim Giessprozess durch das Einlegen der entsprechenden Metallformkörper (2), als Verstärkungselemente, z.B. aus hochschmelzendem Stahl oder Eisen, verschiedenster Geometrie (konisch, zylindrisch, geschlossen, einseitig offen, zweiseitig offen, massiv oder insbesondere auch hohl -wie bisher immer dargestellt-) und Wandstärken (auch über den Querschnitt variierend) dargestellt werden. Die im Bauteil verbleibenden Metallformkörper (2) führen durch ihren höheren E-Modul sowie ihre geometrische Form und Anordnung zu einer Versteifung der Kurbelwelle (1) .
Darüber hinaus können solche hohl ausgebildeten Metallformkörper (2) als Verstärkungselemente auch zusätzlich mit einem stabilisierendem Füllmaterial (nicht dargestellt) ausgefüllt werden, so dass sich weitere festigkeitssteigernde Effekte ergeben. Hierzu werden vorzugsweise Materialien eingesetzt, die einerseits einer hohen mechanischen Belastung widerstehen können, andererseits im Vergleich zum massiven Material der Kurbelwelle (1) und des Metallformkörpers (2) ein deutlich geringeres Gewicht aufweisen. Ein Auffüllen der Metallformkörper (2) beispielsweise mit Metallschaum führt zu einer erheblichen Versteifung bei nur geringer Massezunahme der Kurbelwelle (1) . Je nach Vorrang - Gewichtseinsparung bzw. Festigkeit - sind unterschiedliche Metalle, z.B. Aluminium, Zink, Eisen, Stahl sowie Legierungen verwendbar.
Einerseits können die Metallschäume vor dem Giessen in die Metallformkörper (2) eingebracht werden oder andererseits auch im Nachhinein durch Ausschäumen der Hohlräume in den Metallformkörpern (2) mit entsprechendem Halbzeug (beispielsweise bestehend aus Metallpulver und Treibmittel, z.B. Titanhydrid und anschließender Wärmebehandlung mittels Ofen oder induktiv) . Als Alternative können kleine Metallschaum-Stücke durch die verbleibenden Öffnungen in die Hohlräume eingebracht und dort verklebt werden. Diese Variante ist insbesondere für die Ausführungsform, welche gemäß Figur 6 erläutert wurde, interessant.
Die Verwendung von Metallschaum als stabilisierendes Füllmaterial hat den zusätzlichen Vorteil, dass Eigenschwingungen der Kurbelwelle (1) beim Lauf gedämpft werden. Die Laufruhe (Akustik, Vibration) der Kurbelwelle (1) wird dadurch deutlich verbessert.
Für die Herstellung von solchen Ausführungsformen der Kurbelwelle (1) wird beim Gießen der beschichtetet Metallformkörper (2) als Verdrängungskörper an den entsprechenden Positionen fixiert und so zumindest teilweise eingegossen, wobei die Beschichtung (6) dabei in der oben bereits beschrieben Form wirkt. Figur 8 zeigt die Fixierung solcher Verdrängungskörper in der Giessform (nicht dargestellt) durch Metallrohre (9), die vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Eisen- oder Stahlwerkstoff bestehen und gleichzeitig Ölführungsröhre darstellen können. Die einzulegenden Verdrängungskörper werden dabei schon vor dem Einlegen mit den einzugießenden Metallrohren (1) verbunden, z.B. durch Schweißen.
Grundsätzlich kann bei allen vorgenannten Ausführungsbeispielen eine weitere Erhöhung der Steifigkeit der Kurbelwelle (1) durch Einbringen von Querrippen (nicht dargestellt) in die Metallformkörper (2) erfolgen. Die Kombination mit dem Füllmaterial ist selbstverständlich auch hier denkbar.
Neben diesem Versehen der Metallformkörper (2) mit Querrippen können diese zur weiteren Steigerung der Festigkeit auch massiv oder zumindest teilweise massiv ausgebildet sein, wie dies in Figur 9 dargestellt ist. Darüber hinaus ist in Figur 9 der gesamte Querschnitt der Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) als Verstärkungselemente aufgeteilt.
Bei der Verwendung von Metallformkörper (2) mit einem großen Aussendurchmesser, so dass der gesamte gewünschte Querschnitt des Metallformkörpers (2) in einem Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) realisiert ist, durch Schrumpfungsprozesse bei der Abkühlung zu. erheblichen Eigenspannungen um den Metallformkörper (2) kommen. Die hierdurch auftretenden tangentialen Zugspannungen sind nachteilig und können im Extremfall sogar zu einer Zerstörung des die Metallformkörper (2) umgebenden Materials führen.
Durch ein Aufteilen des gesamten Querschnitts der Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) können diese schädlichen Eigenspannungen reduziert werden. Werden die Metallformkörper (2) beim eingiessen außerdem so gelagert, dass sie beim Abkühlen der Kurbelwelle (1) wenigstens einen, insbesondere jedoch zwei Freiheitsgrade aufweisen, sich als entsprechend bewegen können, so wird das Entstehen von schädlichen Eigenspannungen bei der Abkühlung weiter verringert . In Figur 9 ist außerdem zu erkennen, dass die Metallformkörper (2) jeweils in einem Abstand zur wenig oder nicht belasteten neutralen Faser der Kurbelwelle (1) angeordnet sind. Durch die Aufteilung des gesamten Querschnitts der Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) können die einzelnen Metallformkörper (2) somit sehr leicht in den am höchsten belasteten Bereichen angeordnet werden, vergleichbar den Fasern bei einem Faserverbundwerkstoff. In idealer Weise könnte bei einer Ausführung gemäß Figur 9 im Bereich der neutralen Faser dann ein Hohlraum oder ein hohler Metallformkörper (2) angeordnet werden (nicht dargestellt) .
Grundsätzlich ist dabei die Ausgestaltung und die Querschnittsgeometrie sämtlicher Metallformkörper (2) beliebig, so das diese jeweils an die gegebenen Belastungsanforderungen angepasst werden können. Außerdem lässt sich durch eine geeignete Querschnittsform auch eine Fixierung der Metallfortnkörper (2) in der Kurbelwelle erreichen, z.B. durch Querschittsfor en mit Hinterschnitten oder dergleichen, welche eine formschlüssige Verbindung mit der Kurbelwelle (1) nach dem eingiessen sicherstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Kurbelwelle mit exzentrischen Strukturen wie Pleuel, Hauptlager usw., wobei zur Gewichtsreduktion Hohlräume und/oder Ausnehmungen sowohl im Bereich der Rotationsachse, als auch davon isoliert im Bereich der exzentrischen Strukturen vorhanden sind, wobei zumindest ein Hohlraum --und/oder ei-ne Ausnehmung vorhanden ist, bei dem/der ein aus einem vorgefertigten Metallformkörper, vorzugsweise aus Stahl, bestehendes Verstärkungselement eingesetzt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Metallformkörper (2) durch eine Beschichtung (6) vom Material der Kurbelwelle (1) abgegrenzt ist.
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beschichtung (6) den Austausch von Stoffen, insbesondere die Diffusion von Kohlenstoff, zwischen dem Metallformkörper (2) und dem Material der Kurbelwelle (1) behindert.
3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Metallformkörper (2) zumindest teilweise hohl ausgebildet sind.
4. Kurbelwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beschichtung (6) zumindest einen der Stoffe/ eine der Stoffkombinationen Al203, Y203/Al2θ3, Ti02/Al203, MgAl204, Zr/Al- Silicat, Bornitrid, und/oder Schichten aus NiCrAlY und/oder NiTi aufweist.
5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der gesamte Querschnitt der als Verstärkungselemente dienenden Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) aufgeteilt ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Gießens sowohl im Bereich der Rotationsachse der Kurbelwelle (1) , als auch im Bereich exzentrischer Strukturen (3) entsprechend geformte Verdrängungskörper eingesetzt werden, so dass in diesen Bereichen Hohlräume und/oder Ausnehmungen gebildet werden, wobei zumindest einer der durch die Beschichtung (6) vom späteren Material der Kurbelwelle (1) abgegrenzten Metallformkörper (2) als Verdrängungskörper eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beschichtung (6) mittels thermischer Spritzverfahren (z.B. Lichtbogendrahtspritzen, Plasmabeschichtung) , galvanisch oder als Schlichte (z.B. A1203, Y203/A1203, Ti02/Al203, MgAl204, Zr/Al-Silicat, NiCrAlY- und NiTi-Schichten, Bornitrid) aufgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Metallformkörper (2) zur Fixierung während des Gießens an Hilfskonstruktionen, z.B. Metallstiften oder Metallrohren (9) , oder an Ölführungsrohren (5) befestigt werden.
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