DE102004042707B4 - Kurbelwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle (1) für einen Hubkolbenmotor und ein Verfahren zur Herstellung dieser Kurbelwelle (1). Die Kurbelwelle umfasst eine Vielzahl von Grundzapfen (2) und Hubzapfen (3, 4), zwischen denen eine Vielzahl von Wangen (5, 6) angeordnet sind. Zur Herstellung der Kurbelwelle werden in einem ersten Prozessschritt ausgewählte Übergangsbereiche (9, 9') zwischen Lagerzapfen (3, 4) und Wangen (6) zumindest abschnittsweise thermisch gehärtet. Anschließend werden in einem zweiten Prozessschritt ausgewählte oder alle restlichen Übergangsbereiche (7, 7', 8, 8') zwischen Lagerzapfen (2, 3, 4) und Wangen (5, 6) rollgehärtet, wobei prozessbegleitend mit dem Rollhärten ein Richten der Kurbelwelle (1) durchgeführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen Hubkolbenmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kurbelwelle.
• Kurbelwellen von Hubkolbenmotoren sind im Betrieb sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Um die Belastbarkeit einer Kurbelwelle zu erhöhen, ist es bekannt, Bereiche besonders hoher Belastung auf der Kurbelwelle, insbesondere Übergangsbereiche zwischen den Lagerzapfen und Wangen, thermisch zu härten. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE-OS 22 09 945 beschrieben. Weiterhin ist aus der JP 59-089722 A eine Kurbelwelle bekannt, deren Übergangsbereiche zwischen Lagerzapfen und Wangen abschnittsweise gehärtet sind, beispielsweise mittel Laser, Elektronenstrahl, Lichtbogen oder ähnlichem.
• Im Zuge der mit dem thermischen Härten einhergehenden (lokalen) Erhitzung der Kurbelwelle werden innere Spannungen freigesetzt, die zu einem (Härte-)Verzug der Kurbelwelle führen. Dies hat zur Folge, dass die Kurbelwelle nach dem Härten einen Schlag aufweist und in einem aufwendigen weiteren Verfahrensschritt gerichtet werden muss. Um den Zeitaufwand des Richtens und eventuell beim Richten in der Kurbelwelle erzeugte Schäden zu vermeiden, wird in der DE-OS 22 09 945 vorgeschlagen, die Lagerzapfen auf Übermaß vorzubearbeiten, während die Übergangsbereiche auf Endmaß fertigbearbeitet werden. Dann werden die Übergangsbereiche der Kurbelwelle ther misch gehärtet. Schließlich werden die (weichen, weil ungehärteten) Lagerzapfen auf Sollmaß fertigbearbeitet, so dass der beim Härten entstandene Verzug durch eine spanende Bearbeitung der Lagerzapfen beseitigt wird.
• Allerdings ist auch dieses Verfahren sehr aufwendig, geht es doch einher mit einer kompletten spanenden Überarbeitung aller Lagerzapfen. Weiterhin muss aufgrund der mitunter starken Verzüge ein großes Übermaß im Bereich der Lagerzapfen vorgesehen werden, was eine mehrschrittige spanende Bearbeitung notwendig macht.
• Aus der EP 299 111 B1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem eine Kurbelwelle gerichtet und gleichzeitig eine erhöhte Dauerfestigkeit ausgewählter Bereiche der Kurbelwelle erreicht werden soll. Bei diesem Verfahren werden durch Verfestigung im Randschichtbereich der Kurbelwelle örtlich begrenzte Druckeigenspannungen eingebracht, durch die der Schlag der Kurbelwelle gemindert wird. Diese Druckeigenspannungen können insbesondere durch Festwalzen (auch Rollhärten genannt) erzeugt werden. Wie in der DE 102 02 547 C1 beschrieben, entsteht durch das Festwalzen über eine plastische Verformung in den Übergangsbereichen ein Druckeigenspannungszustand, der die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöht. Gemäß der technischen Lehre der EP 299 111 B1 kann das Festwalzen mit dem Richten der Kurbelwelle verbunden werden. Aus der JP 2000-337345 A ist eine Kurbelwelle bekannt, deren Übergangsbereiche zwischen Lagerzapfen und Wangen thermisch gehärtet und rollgehärtet sind. Weiterhin ist in der JP 59-101228 A eine Kurbelwelle beschrieben, deren Übergangsbereiche zwischen Lagerzapfen und Wangen rollgehärtet sind, wobei prozessbegleitend mit dem Rollhärten ein Richten der Kurbelwelle durchgeführt wird. Allerdings ist es bekannt, dass beim Rollhärten Mikrorisse in die Oberfläche eingebracht werden, wodurch das festigkeits steigende Potential des Rollhärtens begrenzt wird. Deswegen ist das Rollhärten nur bedingt zur Festigkeitssteigerung hochbelasteter Bereiche der Kurbelwelle geeignet.
• Aus der JP 59-089 722 A ist eine Kurbelwelle bekannt, derren Übergangsbereiche zwischen Lagerzapfen und Wangen abschnittsweise gehörtet sind, bspr. mittels Laser, Elektronenstrahl, Lichtbogen oder ähnlichem.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein prozesssicheres, kostengünstiges und großserientaugliches Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen erhöht werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Kurbelwelle mit erhöhter Dauerfestigkeit bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
• Danach werden in einem ersten Prozessschritt diejenigen Übergangsbereiche der Kurbelwelle, die im Betrieb besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, thermisch – insbesondere induktiv – gehärtet. Die thermische Härtung erzeugt in den betroffenen Übergangsbereichen Bereichen hohe Druckeigenspannungen in der Oberfläche und hat insgesamt eine sehr hohe und reproduzierbare Wirksamkeit. Allerdings geht die thermische Härtung einher mit einem starken Verzug der Kurbelwelle. Dieser Verzug wird in einem zweiten Prozessschritt korrigiert, indem weitere (nicht thermisch gehärtete) Übergangsbereiche mittels Rollhärten bearbeitet werden, während gleichzeitig (d.h. prozessbegleitend) ein Richten der Kurbelwelle durchgeführt wird. Im Zuge dieses zweiten Prozessschritts, bei dem weniger stark belastete Übergangsbereiche durch Walzen gehärtet werden, können durch eine gezielte Einspannung und Kraftausübung also die im ersten Prozessschritt erzeugten Bauteilverzüge aus der Kurbelwelle „herausgerollt" werden.
• Es ist bekannt, dass die Übergangsbereiche zwischen Lagerzapfen und Kurbelwangen im Betrieb besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind. Die Erfindung beruht nun auf der Beobachtung, dass aufgrund der Periodizität der auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte die Belastungen, denen die Kurbelwelle ausgesetzt sind, nur in ausgewählten Kraftumlenkungszonen eine schadensrelevante Rolle spielen. Insbesondere zeigt sich, dass im Betrieb nicht jede Kröpfung der Kurbelwelle die gleiche Belastung erfährt, da das Schwingungsverhalten entlang der Welle variiert und der Einfluss von Schwungrad und Schwingungsdämpfer nicht an jeder Wange mit dem gleichen Effekt wirkt. Dieser Effekt äußert sich beispielsweise darin, dass Kurbelwellen typischerweise immer an der gleichen Stelle der gleichen Wange brechen.
• Ausgehend von diesen Beobachtungen und Überlegungen besteht der Erfindungsgedanke in der Erkenntnis, dass zur Herstellung einer hochbelastbaren Kurbelwelle keineswegs alle Übergangsbereiche der Kurbelwelle der gleichen Härtungsbehandlung unterzogen zu werden brauchen. Vielmehr gilt es, diejenigen Übergangsbereiche zu ermitteln, welche im Betrieb einer besonders hohen Belastung ausgesetzt sind; dies kann durch Rechnersimulation und/oder durch Prüfstandsversuche erfolgen. Diese höchstbelasteten Übergangsbereiche (die zugleich die Schwachpunkte der Kurbelwelle darstellen) werden im Zuge der Kurbelwellenherstellung erfindungsgemäß einer besonders hochwertigen Vergütung – durch thermisches Härten – unterzogen. Dabei werden in oberflächennahen Zonen dieser Übergangsbereiche hohe Druckeigenspannungen erzeugt, die den Belastungen, denen diese Übergangsbereiche im Betrieb ausgesetzt sind, entgegenwirken. Das thermische Härten erfolgt vorzugsweise mittels Induktionshärten.
• Einige oder alle der restlichen Übergangsbereiche, die einer geringeren Belastung ausgesetzt sind, werden im Zuge der Kurbelwellenherstellung einer nicht ganz so hochwertigen Vergütung – durch Rollhärten – unterzogen. Dadurch werden in diesen Übergangsbereiche ebenfalls oberflächennahe Druckeigenspannungen erzeugt, aufgrund der Gefahr von Mikrorissen in der Oberfläche sind die dabei erreichbaren Festigkeitserhöhungen jedoch nicht ganz so markant wie beim thermischen Härten.
• Beim Rollhärten der weniger belasteten Übergangsbereiche werden hohe Druckkräfte auf ausgewählte Abschnitte die Kurbelwelle ausgeübt; dieser Prozessschritt des Rollhärtens wird zugleich zum Ausgleich der Härteverzüge genutzt, die im Rahmen des thermischen Härtens der höchstbelasteten Bereiche in der Kurbelwelle erzeugt wurden. Dabei wird durch eine Verfestigung in einem örtlich begrenzten Übergangsbereich das Richten der Kurbelwelle bewirkt. Das Fest- und das Richtwalzen erfolgt somit in einem einzigen Arbeitsgang; weiterhin werden nur so große Verformungsspannungen auf die Kurbelwelle ausgeübt wie unbedingt notwenig. Durch dieses prozessbegleitende (lokale) Richten entfällt der ansonsten zusätzliche und zeitaufwendige Prozessschritt des (globalen) Richtens. Weiterhin kann im Rahmen des Rollhärtens eine hochgenaue Konzentration und Dosierung der Richtkräfte erreicht werden; auf diese Weise können Risse in den bereits gehärteten Übergangsbereichen, die herkömmlicherweise beim Richten oftmals auftreten, wirksam vermieden werden.
• Vorteilhafterweise werden nicht nur einige, sondern sämtliche minderbelasteten Übergangsbereiche rollgehärtet. Auf diese Weise wird einerseits eine hohe Festigkeit der gesamten Kurbelwelle erreicht, andererseits wird entlang der Kurbelwelle eine Höchstzahl von Angriffspunkten für das prozessbegleitende Richten genutzt; dies ermöglicht ein besonders exaktes Richten, bei dem gleichzeitig plastische Verformungen der thermisch gehärteten Übergangsbereiche vermieden werden.
• Die oben beschriebene Vorgehensweise, bei der die höchstbelasteten Übergangsbereiche thermisch gehärtet werden und anschließend die restlichen Übergangsbereiche (bzw. zumindest einige von ihnen) rollgehärtet werden, geht aus von der Annahme, dass die im ersten Prozessschritt in die Welle eingebrachten Verzüge mit dem zweiten Prozessschritt gerichtet werden können. Sollte die Kurbelwelle zu viele thermisch gehärtete Übergangsbereiche enthalten, so kann bei dieser Vorgehensweise ein optimales Richtergebnis eventuell nicht mehr gewährleistet werden. In diesem Fall können nur einige der höchstbelasteten Übergangsbereiche thermisch gehärtet werden, während die anderen zunächst „weich" bleiben und durch Walzen gehärtet werden müssen, um ausreichend viele Ansatzpunkte für das Richten zu erhalten. Die Auswahl der thermisch zu härtenden Übergangsbereiche erfolgt vorzugsweise durch eine Simulation, bei der diese thermischen Härtebereiche in einer solchen Weise über die Kurbelwelle verteilt werden, dass einerseits eine möglichst hohe Gesamtfestigkeit der Welle gewährleistet ist, andererseits aber eine gute Korrektur der Wärmeverzüge durch prozessbegleitendes Richten während dem Rollhärten sichergestellt werden kann.
• Erfindungsgemäß werden somit die Vorteile der beiden Härteverfahren Induktionshärten und Rollhärten in einer solchen Weise an der Kurbelwelle kombiniert, dass die Vorteile jedes dieser beiden Verfahren (durch Anpassen an die lokalen Belastungszustände entlang der Welle) optimal ausgenutzt werden kann. Damit kann die Festigkeit der Welle ohne Risiken an den entscheidenden Stellen deutlich angehoben werden.
• Die Übergangsbereiche sind zweckmäßigerweise als Einstiche ausgebildet, und die beim Rollhärten verwendeten Walzwerkzeuge sind in Bezug auf ihre Kontur der Einstichgeometrie angepasst.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese Zeichnung zeigt einen Ausschnitt einer Kurbelwelle 1 für einen V6-Motor mit einem Bankwinkel von 72° in einer schematischen Schnittansicht. Der Ausschnitt umfasst zwei Grundzapfen 2 sowie zwei parallel versetzte Hubzapfen 3, 4. Die Grundzapfen 2 dienen zur Lagerung der Kurbelwelle in einem (in der Figur nicht gezeigten) Kurbelgehäuse, während die Hubzapfen 3, 4 zur Aufnahme der Pleuellager dienen. Zwischen einem Grundzapfen 2 und einem Hubzapfen 3, 4 ist jeweils eine Hauptwange 5 angeordnet, während zwischen zwei benachbarten Hubzapfen 3, 4 eine Zwischenwange 6 angeordnet ist. In den Übergangsbereichen 7, 7' zwischen Grundzapfen 2 und Hauptwangen 5 sind ringförmig umlaufende Einstiche 10 vorgesehen; ebenso sind in den Übergangsbereichen 8, 8' bzw. 9, 9' zwischen Hubzapfen 3, 4 und Hauptwangen 5 bzw. Zwischenwangen 6 Einstiche 10 vorgesehen. Durch diese Einstiche 10 werden die in den Übergangsbereichen 7, 7', 8, 8', 9, 9' auftretenden Kerbspannungen erheblich vermindert. Trotz der Einstiche 10 stellen die Übergänge 7, 7', 8, 8', 9, 9' jedoch kritische Belastungsbereiche dar, welche im Betrieb der Kurbelwelle 1 unter besonders hohen Spannungen stehen. Diese Spannungen aufgrund von Biege- und Torsionskräften, die durch die an den Hubzapfen 3, 4 angreifenden (in 1 nicht gezeigten) Pleuel in die Kurbelwelle 1 eingeleitet werden.
• Wie Simulationen und Belastungsuntersuchungen zeigen, treten im vorliegenden Beispiel besonders hohe Spannungen in den Übergangsbereichen 9, 9' zwischen den Hubzapfen 3, 4 und den Zwischenwangen 6 auf. Daher werden bei der Herstellung der Kurbelwelle 1 in einem ersten Prozessschritt diese Übergangsbereiche 9, 9' induktiv gehärtet. Dabei werden Härtezonen 11 erzeugt, die in ihrem Querschnitt in etwa dem Spannungsverlauf in diesen Bereichen 9, 9' entsprechen. Diese Härtezonen 11 können den gesamten Umfang der Übergangsbereiche 9, 9' umlaufen oder lediglich in einem Winkelbereich vorgesehen werden, in dem die Lagerzapfen 3, 4 sich radial überdecken. Details zur Gestaltung und induktiven Erzeugung der Härtezonen 11 sind beispielsweise in der DE-OS 22 09 945 beschrieben, deren Inhalt hiermit in die vorliegende Anmeldung übernommen wird.
• Durch das induktive Härten entsteht ein Verzug in der Kurbelwelle 1, der durch Richten korrigiert werden muss. Dieses Richten erfolgt nun in einem zweiten Prozessschritt, in dem erfindungsgemäß gleichzeitig die bisher nicht gehärteten Übergangsbereiche 7, 7', 8, 8' rollgehärtet werden, wobei in diesen Bereichen 7, 7', 8, 8' Härtezonen 12 erzeugt werden. Beim Rollhärten wird prozessbegleitend ein Richten der Kurbelwelle 1 durchgeführt, bei dem Verzüge der Kurbelwelle 1 behoben bzw. reduziert werden. Ein Verfahrensablauf dieses kombinierten Rollhärtens/Richtens ist beispielsweise in der bereits erwähnten EP 299 111 B1 beschrieben, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Durch dieses Rollhärten/Richten können alle bisher nicht gehärteten Übergangsbereiche 7, 7', 8, 8' bearbeitet werden; es kann jedoch – je nach Belastungsprofil und/oder Schlag der Kurbelwelle 1 – auch nur ein ausgewählter Teil dieser Übergangsbereiche rollgehärtet werden.
• Im bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die induktiv erzeugten Härtezonen 11 in den höchstbelasteten Übergangsbereichen 9, 9' vorgesehen, während die geringer belasteten Übergangsbereiche 7, 7', 8, 8' rollgehärtet wurden. Dies setzt voraus, dass die während des Induktionshärtens in der Kurbelwelle 1 erzeugten Verzüge während des darauffolgenden Rollhärtungsschritts vollkommen korrigiert werden können. Ist dies nicht der Fall (wenn z.B. die Induktionshärtung der zueinander benachbarten Bereiche 9, 9' so starke Formänderungen im Bereich der Hubzapfen 3, 4, mit sich bringt, dass die Richtoperationen in den anderen Übergangsbereichen 7, 7', 8, 8' diese nicht bereinigen können), so müssen größere Abstände zwischen den induktionsgehärteten Bereichen 11 vorgesehen werden; in diesem Fall wird z.B. lediglich der Übergangsbereich 9 (und evtl. auch die Übergangsbereiche 7, 8) induktionsgehärtet, während der Übergangsbereich 9' (zusammen mit den Übergangsbereichen 7', 8') rollgehärtet wird.
• Die Erfindung ist auf beliebige Kurbelwellen (sowohl für V-Motoren als auch für Reihenmotoren) anwendbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle (1) für einen Hubkolbenmotor – mit einer Vielzahl von Grundzapfen (2) und Hubzapfen (3, 4) – und mit einer Vielzahl von Wangen (5, 6), die zwischen benachbarten Grundzapfen (2) und Hubzapfen (3, 4) und/oder benachbarten Hubzapfen (3, 4) angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: – ausgewählte Übergangsbereiche (9, 9') zwischen Lagerzapfen (3, 4) und Wangen (6) werden zumindest abschnittsweise thermisch gehärtet; – weitere, nicht thermisch gehärtete Übergangsbereiche (7, 7', 8, 8') zwischen Lagerzapfen (2, 3, 4) und Wangen (5, 6) werden rollgehärtet, wobei prozessbegleitend mit dem Rollhärten ein Richten der Kurbelwelle (1) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gehärteten Übergangsbereiche (9, 9') induktiv gehärtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass alle nicht thermisch gehärteten Übergangsbereiche (7, 7', 8, 8') rollgehärtet werden.
4. Kurbelwelle (1) für einen Hubkolbenmotor – mit einer Vielzahl von Grundzapfen (2) und Hubzapfen (3, 4) – und mit einer Vielzahl von Wangen (5, 6), die zwischen benachbarten Grundzapfen (2) und Hubzapfen (3, 4) und/oder benachbarten Hubzapfen (3, 4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,: – dass mindestens ein Übergangsbereich (9, 9') zwischen einem Lagerzapfen (3, 4) und einer Wange (6) thermisch gehärtet ist; – dass mindestens ein anderer, nicht thermisch gehärteter Übergangsbereich (7, 7', 8, 8') zwischen einem Lagerzapfen (2, 3, 4) und einer Wange (5, 6) rollgehärtet ist;
5. Kurbelwelle (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass alle Übergangsbereiche (7, 7', 8, 8', 9, 9') entweder thermisch gehärtet oder rollgehärtet sind.
6. Kurbelwelle (1) nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (7, 7', 8, 8', 9, 9') mit Einstichen (10) versehen sind.