WO2005090618A1 - Verfahren zum erhöhen der dauerfestigkeit von kurbelwellen - Google Patents

Verfahren zum erhöhen der dauerfestigkeit von kurbelwellen Download PDF

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    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the fatigue strength of crankshafts for motor vehicle engines by hardening the crankshafts in the endangered areas of the transitions from the journal to the cheek or from the bearing to the bearing.
  • crankshafts in the radii Due to their shape, crankshafts in the radii, i.e. in the transitions of the bearing journals to the cheeks, residual compressive stresses are generated by applying a tensile force to the crankshaft. This causes deformation of the cheek and the bearing journal. Such deformations occur both on the main bearing journal as well as on the pin bearing journal and the adjacent cheeks of the crankshaft.
  • DE 100 52 753 AI discloses a device for deep-rolling crankshafts, with the aid of which additional external stresses can be applied in the direction of the load on the crankshaft during operation during deep-rolling of the radii or punctures of the crankshaft. Accordingly, it is known to additionally apply tensile and / or bending stresses to the crankshaft from outside during the deep rolling of a crankshaft.
  • crankshafts The endangered areas of a crankshaft are known to be in the transitions between the bearing journals and the adjacent cheeks. These transitions can be designed both as recesses and as simple radii. Special attention is paid to the endangered areas by experts who are concerned with increasing the strength of crankshafts.
  • the invention is based on the object of proposing a simplified method of increasing the fatigue strength of crankshafts for car engines.
  • the process should be simple to use and, furthermore, economical.
  • the endangered areas of the crankshaft are hardened with a hardening process of low penetration depth and narrow hardness width and
  • crankshaft is subjected to a tensile load Change in length.
  • the change in length in connection with the present method is determined in an order of magnitude which corresponds to the change in length of the crankshaft due to deep rolling. This magnitude of change in length is determined empirically because it can vary from crankshaft to crankshaft.
  • crankshaft can also be bent in sections. This also creates tensile stress in the critical areas of the crankshaft. The tensile stresses arise on the surface of the transition between a bearing journal and the adjacent cheek and are only a few millimeters deep.
  • Hardening with laser beams has proven to be particularly suitable here, since with the aid of this hardening process both the depth of penetration and the hardness width can be finely metered with great accuracy.
  • the tensile forces are removed.
  • the removal of the external forces causes compressive stresses in the hardened, hazardous areas, which increase the fatigue strength of the crankshaft. These compressive stresses arise in addition to the compressive stresses that arise in the hardened area due to the larger volume of the martensite structure compared to the ferritic-pearlitic structure.
  • crankshaft 1 for a four-cylinder engine for driving a car.
  • the crankshaft 1 is rotatably supported in the main bearing journals 2, 3, 4, 5 and 6 in the engine block (not shown) of a car engine.
  • the main axis of rotation 15 runs in the direction of the two arrows 7 and 8.
  • the connecting rods (not shown) of the engine are each rotatably supported in the pin journals 9, 10, 11 and 12.
  • Main bearing journals 2 to 6 and pin journals 9 to 12 are each connected to one another via cheeks 13. At the transition between a bearing journal 2 to 6 or 9 to 12 and an adjacent cheek 13 there is in each case an endangered area which extends over part of the circumference of the respective cylindrical bearing journal.
  • the endangered area is either a recess (not shown) through which the bearing pins 2 to 6 or 9 to 12 connect to the adjacent cheeks 13 or it is a simple radius.
  • the areas at risk are each represented by small circles 14 with an enlarged line width.
  • These endangered areas 14 are hardened or hardened and annealed, ie tempered.
  • a tensile force is applied to the crankshaft 1, as represented by the arrows 7 and 8.
  • tensile forces 7 and 8 By applying the tensile forces 7 and 8, tensile stresses arise in the endangered areas 14. These tensile stresses are greater the further the endangered area 14 of the axis of rotation 15 of the crankshaft 1 lies. This applies to the transitions of the pin journals 9 to 12.
  • crankshaft 1 undergoes a change in length.
  • the change in length is of a magnitude which corresponds to the change in length if the endangered regions 14 of the crankshaft 1 would have been solidified by deep rolling. This change in length varies from crankshaft to crankshaft and is experimentally determined in advance.
  • crankshaft treated according to the above method can also be tempered after the hardening, i.e. compensated and / or treated by deep rolling.
  • the described method can also be applied to other components which have cylindrical elements in their structure, which change into other geometric elements via radii or recesses.
  • Analog machining of steering knuckles is mentioned here as an example. A tensile force is first applied to the steering knuckle while it is hardened in its transition to the holder, in order to then be solidified in the area hardened by the laser beam by deep rolling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen (1) für Kraftfahrzeugmotoren durch Härten der Kurbelwelle (1) zumindest in den gefährdeten Bereichen (14) der Übergänge vom Lagerzapfen (2 bis 6, 9 bis 12) zur Wange (13) oder vom Lager (2 bis 6) zum Lager (9 bis 12). Die Kurbelwelle (1) wird in Umdrehung versetzt und in den gefährdeten Bereichen (14) wird eine Zugspannung erzeugt, während die gefährdeten Bereiche (14) mit einem Härteverfahren von geringer Eindringtiefe und geringer Härtebreite gehärtet werden.

Description

VERFAHREN ZUM ERHOHEN DER DAUERFESTIGKEIT VON KURBELWELLEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für Kraftfahrzeugmotoren durch Härten der Kurbelwellen in den gefährdeten Bereichen der Übergänge vom Lagerzapfen zur Wange oder vom Lager zum Lager.
Aufgrund ihrer Form können bei Kurbelwellen in den Radien, d.h. in den Übergängen der Lagerzapfen zu den Wangen, Druckeigenspannungen dadurch erzeugt werden, dass man die Kurbelwelle mit einer Zugkraft beaufschlagt. Dabei werden Verformungen der Wange und der Lagerzapfen herbeigeführt. Solche Verformungen entstehen sowohl an den Hauptlagerzapfen als auch an den Hublagerzapfen und den jeweils angrenzenden Wangen der Kurbelwelle. In diesem Zusammenhang ist aus der DE 100 52 753 AI ein Gerät zum Festwalzen von Kurbelwellen bekannt, mit dessen Hilfe zusätzliche äußere Beanspruchungen in Richtung der im Betrieb auftretenden Belastung der Kurbelwelle während des Festwalzens der Radien oder Einstiche der Kurbelwelle aufgebracht werden können. Demnach ist es bekannt, während des Festwalzens einer Kurbelwelle zusätzlich von außen her Zug- und/oder Biegebeanspruchungen auf die Kurbelwelle aufzubringen.
Die gefährdeten Bereiche einer Kurbelwelle liegen bekanntlich in den Übergängen zwischen den Lagerzapfen und den angrenzenden Wangen. Diese Übergänge können sowohl als Einstiche als auch als einfache Radien ausgebildet sein. Den gefährdeten Bereichen gilt die besondere Aufmerksamkeit der Fachleute, die sich mit der Erhöhung der Festigkeit von Kurbelwellen beschäftigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein vereinfachtes Verfahren vorzuschlagen, die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für PKW-Motoren zu erhöhen. Das Verfahren soll einfach in seiner Anwendung und darüber hinaus wirtschaftlich sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Erhöhen der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen vorgeschlagen, bei welchem
- die Kurbelwelle in Umdrehung versetzt wird,
- in den gefährdeten Bereichen eine Zugspannung erzeugt wird, während
- die gefährdeten Bereiche der Kurbelwelle mit einem Härteverfahren von geringer Eindringtiefe und geringer Härtebreite gehärtet werden und
- die gefährdeten Bereiche nach dem Härten wieder entlastet werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 offenbart .
Es wurde gefunden, dass es ausreicht, eine zu härtende Kurbelwelle während des Härtungsprozesses auf Zug zu beanspruchen. Dies gilt nur für Kurbelwellen, bei denen neben jedem Pleuel zwei Hauptlager sind. Unter der Zugbeanspruchung erfährt die Kurbelwelle eine Längenänderung. Die Längenänderung im Zusammenhang mit dem vorliegenden Verfahren wird in einer Größenordnung festgelegt, welche der Längenänderung der Kurbelwelle durch das Festwalzen entspricht. Diese Größenordnung der Längenänderung wird empirisch ermittelt, weil sie von Kurbelwelle zu Kurbelwelle unterschiedlich sein kann.
Anstelle einer Zugbeanspruchung, welche in Richtung der Längsachse der Kurbelwelle auf die Kurbelwelle aufgebracht wird, kann die Kurbelwelle abschnittsweise auch aufgebogen werden. Dabei entstehen in den kritischen Bereichen der Kurbelwelle ebenfalls Zugspannungen. Die Zugspannungen entstehen an der Oberfläche des Übergangs zwischen einem Lagerzapfen und der angrenzenden Wange und sind nur wenige Millimeter tief.
Besonders vorteilhaft ist das Laserhärten der Kurbelwelle, während diese um ihre Hauptdrehachse gedreht wird. Eine derartige Behandlung ist für die meisten gängigen Kurbelwellen geeignet, einschließlich der Kurbelwellen von V8-Motoren. Für andere Motorenarten, beispielsweise für V6-Motoren und Split-Pin-Kurbelwellen, wird das Aufbringen von Zugkräften oder das abschnittsweise Verbiegen der Kurbelwelle experimentell oder mit Hilfe einer statischen Berechnung (Methode finiter Elemente) von Fall zu Fall festgelegt.
Das Verfahren hat sich bei Härteverfahren bewährt, welche eine geringe Eindringtiefe und Breite haben und nur ein kleines Materialvolumen gleichzeitig erwärmen. Eine konventionelle induktive Härtung würde gleichzeitig den gesamten Bereich im Radiusübergang erwärmen. Dabei würde sich die mechanisch aufgebrachte Zusatzspannung auf das Maß abbauen, welches der Streckgrenze bei der Temperatur entspricht. Ein solches Verfahren ist daher unbrauchbar. Beim Laserhärten tritt natürlich der gleiche Effekt auf. Da aber der erwärmte Bereich klein gegenüber dem mit Spannung behafteten Bereich ist, ist der Effekt vernachlässigbar. Bevorzugt wird eine Eindringtiefe in der Größenordnung von 1 mm unterhalb der zu härtenden Oberfläche, sei es ein Einstich oder ein Radius. Die Breite der Härtung beträgt in diesem Bereich etwa 5 mm. Als besonders geeignet hat sich hierbei das Härten mit Laserstrahlen erwiesen, da mit Hilfe dieses Härteverfahrens sowohl die Eindringtiefe als auch die Härtebreite mit großer Genauigkeit fein dosiert werden können. Nach dem Abschluss der Härtung oder Vergütung der gefährdeten Bereiche der Kurbelwelle werden die Zugkräfte weggenommen. Die Wegnahme der äußeren Kräfte bewirkt, dass in den gehärteten gefährdeten Bereichen Druckspannungen entstehen, welche die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöhen. Diese Druckspannungen entstehen zusätzlich zu den Druckspannungen, die sich im gehärteten Bereich aufgrund des größeren Volumens des Martensitgefüges gegenüber dem ferritisch perlitischen Gefüge ergeben.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Es zeigt die einzige Figur in stark vereinfachter, schematischer und nicht maßstäblicher Darstellung eine Kurbelwelle in der Seitenansicht.
Gezeigt wird die Kurbelwelle 1 für einen Vierzylindermotor zum Antrieb eines PKW. Die Kurbelwelle 1 ist in den Hauptlagerzapfen 2, 3, 4, 5 und 6 im Motorblock (nicht gezeigt) eines PKW-Motors drehbar gelagert. Die Hauptdrehachse 15 verläuft in Richtung der beiden Pfeile 7 und 8. Die Pleuel (nicht gezeigt) des Motors sind jeweils in den Hublagerzapfen 9, 10, 11 und 12 drehbar gelagert. Hauptlagerzapfen 2 bis 6 und Hublagerzapfen 9 bis 12 sind jeweils über Wangen 13 miteinander verbunden. Am Übergang zwischen einem Lagerzapfen 2 bis 6 bzw. 9 bis 12 und einer angrenzenden Wange 13 befindet sich jeweils ein gefährdeter Bereich, der sich über einen Teil des Umfangs des jeweiligen zylindrischen Lagerzapfens erstreckt. Der gefährdete Bereich ist entweder ein Einstich (nicht gezeigt), durch welchen die Lagerzapfen 2 bis 6 bzw. 9 bis 12 an die jeweils benachbarten Wangen 13 anschließen oder es ist ein einfacher Radius. Im vorliegenden Beispiel sind die gefährdeten Bereiche jeweils durch kleine Kreise 14 mit vergrößerter Strichstärke dargestellt. Diese gefährdeten Bereiche 14 werden gehärtet bzw. gehärtet und angelassen, d.h. vergütet. Während des Härtens wird auf die Kurbelwelle 1 eine Zugkraft aufgebracht, wie sie durch die Pfeile 7 und 8 dargestellt wird. Durch das Aufbringen der Zugkräfte 7 und 8 entstehen in den gefährdeten Bereichen 14 jeweils Zugspannungen. Diese Zugspannungen sind umso größer, je ferner der jeweils gefährdete Bereich 14 von der Drehachse 15 der Kurbelwelle 1 liegt. Dies gilt für die Übergänge der Hublagerzapfen 9 bis 12. Durch das Aufbringen von Zugkräften 7 und 8 erfährt die Kurbelwelle 1 eine Längenänderung. Die Längenänderung liegt in einer Größenordnung, welche der Längenänderung entspricht, wenn die gefährdeten Bereiche 14 der Kurbelwelle 1 durch Festwalzen verfestigt worden wären. Diese Längenänderung ist von Kurbelwelle zu Kurbelwelle unterschiedlich und wird experimentell vorab festgelegt.
Nach dem Härten unter Zugspannung werden die Zugkräfte 7 und 8 von der Kurbelwelle 1 gelöst. Beim Erkalten der gehärteten gefährdeten Bereiche 14 nach dem Härten entsteht in diesen gefährdeten Bereiche 14 eine Druckspannung, welche dazu geeignet ist, die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle 1 wirksam zu erhöhen. Selbstverständlich kann die nach dem vorstehenden Verfahren behandelte Kurbelwelle im Anschluss an das Härten auch noch angelassen, d.h. vergütet und/oder durch Festwalzen behandelt werden.
Neben der Anwendung auf Kurbelwellen kann das beschriebene Verfahren auch auf andere Bauteile angewendet werden, die in ihrer Struktur zylindrische Elemente aufweisen, welche über Radien oder Einstiche in andere geometrische Elemente übergehen. Als Beispiel wird hier eine analoge Bearbeitung von Achsschenkeln genannt. Auf den Achsschenkelbolzen wird zunächst eine Zugkraft aufgebracht, während er zugleich in seinem Übergang zur Halterung gehärtet wird, um anschließend in dem vom Laserstrahl gehärteten Bereich durch Festwalzen verfestigt zu werden.
Bezugszeichenliste
1 Kurbelwelle
2 Hauptlagerzapfen
3 Hautplagerzapfen
4 Hauptlagerzapfen
5 Hauptlagerzapfen
6 Hauptlagerzapfen
7 Pfeil
8 Pfeil
9 Hublagerzapfen
10 Hublagerzapfen
11 Hublagerzapfen
12 Hublagerzapfen
13 Wangen
14 gefährdeter Bereich
15 Drehachse

Claims

PA T E N T AN S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Erhöhen der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für Kraftfahrzeugmotoren durch Härten der Kurbelwelle zumindest in den gefährdeten Bereichen der Radienübergänge vom Lagerzapfen zur Wange oder vom Lager zum Lager, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Kurbelwelle (1) in Umdrehung versetzt wird, - in den gefährdeten Bereichen (14) eine Zugspannung erzeugt wird während - die gefährdeten Bereiche (14) mit einem Härteverfahren von geringer Eindringtiefe und geringer Härtebreite gehärtet werden und - die gefährdeten Bereiche (14) nach dem Härten wieder entlastet werden.
2. Verfahren 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 auf die Kurbelwelle (1) in Richtung ihrer Drehachse (15) eine Zugkraft (7, 8) aufgebracht wird.
3. Verfahren 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 einzelne Abschnitte der Kurbelwelle (1) aufgebogen werden, so dass in den kritischen Bereichen (14) Zugspannungen entstehen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kurbelwelle (1) durch das Aufbringen von Zugkräften (7, 8) eine Längenänderung erfährt.
5. Verfahren 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 als Härteverfahren das Härten durch Laserstrahl angewendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Eindringtiefe beim Härten zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, vorzugsweise 1 mm unterhalb der zu härtenden Oberfläche beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Härtebreite zwischen 2 mm und 8 mm, vorzugsweise 5 mm, beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kurbelwelle (1) nach dem Härten angelassen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Längenänderung der Kurbelwelle (1) in einer Größenordnung erfolgt, die der Längenänderung der Kurbelwelle (1) durch Festwalzen entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefährdeten Bereiche (14) der Kurbelwelle (1) nach dem Härten oder Vergüten festgewalzt werden.
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