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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
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Die
EP 0 623 761 B1 offenbart eine Lagerung einer Kurbelwelle in einem Triebwerksgehäuse einer Brennkraftmaschine, wobei die Kurbelwelle in einem Umfangsabschnitt als Innenlaufbahn für zylindrische, insbesondere nadelförmige Wälzkörper einer Wälzlagerung mit einem eine gehärtete und feinst bearbeitete Laufbahn aufweisenden äußeren Lagerring dient.
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Diese sowie die aus dem Serienbau von Kraftwagen bekannten Kurbelwellen weisen unzureichende Eigenschaften zur effizienten Lagerung der Kurbelwellen auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurbelwelle der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine verbesserte Lagerung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine des Kraftwagens, mittels welcher eine translatorische Bewegung wenigstens eines Kolbens der Hubkolbenmaschine in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelbar ist und welche zumindest im Wesentlichen aus Stahl ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Kurbelwelle zumindest bereichsweise aus einem Stahl gebildet ist, welcher im Wesentlichen einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis einschließlich 0,8 Gew.-% aufweist.
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Der Kohlenstoffgehalt in dem angegebenen Bereich ermöglicht ein zumindest örtliches Härten der Kurbelwelle, so dass diese in gehärteten Bereichen eine besonders hohe Ermüdungsbeständigkeit und damit besonders gute Eigenschaften für Lager aufweist.
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So ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Kurbelwelle wenigstens einen aus dem Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von 0,5 bis 0.8 Gew.-% ausgebildeten Außenumfangsabschnitt aufweist, welcher als Lagerstelle zur Lagerung der Kurbelwelle oder eines Pleuels ausgebildet ist, wobei die Lagerstelle wiederum als Laufbahn für Wälzkörper, insbesondere für zumindest im Wesentlichen zylindrische Wälzkörper, ausgebildet ist. Der Stahl mit dem genannten Kohlenstoffgehalt führt dazu, dass die aus diesem Stahl gebildete Lagerstelle besonders gut gehärtet und somit an der Lagerstelle eine hohe Oberflächenhärte und günstige Druckeigenspannungen ausgebildet werden kann, die eine sehr gute, dauerhafte und effiziente Lagerung der Kurbelwelle oder eines Pleuels über die Lagerstelle ermöglicht.
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Die Kurbelwelle kann somit selbst über den besagten Außenumfangsabschnitt als Innenkörper, insbesondere Innenring, eines Wälzlagers fungieren, wodurch die Kurbelwelle bzw. das Pleuel besonders reibungs- und damit verlustarm zu lagern ist. Dies führt dazu, dass die Hubkolbenmaschine besonders geringe, innere Reibungsverluste aufweist, was zu einem geringen Kraftstoffverbrauch und damit zu geringen CO2-Emissionen führt.
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Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Kurbelwelle einen sehr geringen Bauraumbedarf auf, da Innenkörper zur Darstellung eines Wälzlagers entfallen können. Dies hält auch die Teileanzahl in einem geringen Rahmen, woraus geringe Kosten für die Hubkolbenmaschine resultieren. Darüber hinaus geht mit der geringen Teileanzahl ein geringes Gewicht einher, was den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen der Hubkolbenmaschine ebenso gering hält.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kurbelwelle zumindest an der Lagerstelle durch ein Härteverfahren gehärtet, wodurch sich dort optimale Lagerungsbedingungen zur Lagerung der Welle in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine und/oder zur Lagerung eines Pleuels, beispielsweise an einem Hubzapfen der Kurbelwelle, realisieren lassen. An dieser Lagerstelle weist die Kurbelwelle somit eine höhere Härte, insbesondere Oberflächenhärte, auf als in übrigen Bereichen der Kurbelwelle außer gegebenenfalls an etwaig vorhandenen, weiteren, derartigen Lagerstellen. So ist es ohne weiteres möglich, dass die Kurbelwelle eine Mehrzahl derartiger Lagerstellen aufweist, die aus dem Stahl mit dem genannten Kohlenstoffgehalt ausgebildet sind. Wie bereits angedeutet, können diese Lagerstellen dazu dienen, die Kurbelwelle in dem Kurbelgehäuse und/oder mehrere Pleuel beispielsweise über Hubzapfen der Kurbelwelle an dieser reibungsarm zu lagern.
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Dabei ist es möglich, die Kurbelwelle aus einem Stahl auszubilden, der ohne Behandlungsverfahren der Kurbelwelle oder dergleichen bereits einen Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,8 Gew.-% aufweist. Bei einem solchen Stahl handelt es sich beispielsweise um einen Stahl mit der Bezeichnung C53G (früher Cf53) oder vorzugsweise um einen Stahl mit der Bezeichnung C56E2, welcher hinsichtlich einer Wälzbeständigkeit sehr günstige Eigenschaften aufweist. Ebenso ist denkbar, andere Stähle im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% C als den genannten C56E2 zu verwenden, die arm an Störelementen wie Schwefel (max. 0,015 Gew.-%) und Phosphor (max. 0,025 Gew.-%) sind und somit eine erhöhte Reinheit zur Gewährleistung optimaler Wälzeigenschaften aufweisen.
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Ebenso ist es möglich, durch ein Wärmebehandlungsverfahren der Kurbelwelle, beispielsweise durch Aufkohlen, den Kohlenstoffgehalt zumindest in Oberflächennähe der Lagerstelle(n) im Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,8 Gew.-% einzustellen. Dabei wird beispielsweise lediglich eine Randschicht des Stahls bzw. der Kurbelwelle mit Kohlenstoff angereichert, wodurch die Kurbelwelle bzw. ihr Stahl in diesen Bereichen gut härtbar ist und dort die günstigen Lagerungseigenschaften eingestellt werden können.
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Als weitere Legierungsvariante wird vorgeschlagen, einen Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% zusätzlich mit Legierungselementen wie Vanadium, Titan, Niob, Bor und Stickstoff gezielt zu modifizieren. Diese genannten Elemente können entweder einzeln oder in Kombination zugesetzt werden. Vorzugsweise ist der Anteil dieser Elemente in Summe kleiner als 1,5 Gew.-%.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine eines Kraftwagens, mittels welcher einer translatorische Bewegung eines Kolbens der Hubkolbenmaschine in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelbar ist, und welche zumindest im Wesentlichen aus Stahl ausgebildet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle zumindest bereichsweise aus einem Stahl gebildet wird, welcher im Wesentlichen einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis einschließlich 0,8 Gew.-% aufweist. Der Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,8 Gew.-% kann auch auf die Oberflächennähe der Lagerstelle(n) beschränkt sein. Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kurbelwelle sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt anzusehen. Somit ermöglicht auch das erfindungsgemäße Verfahren die Darstellung einer Kurbelwelle mit sehr guten Härte- und damit mit verbesserten Lagerungseigenschaften.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise ein Halbzeug bereitgestellt und durch ein Schmiedeverfahren zur Herstellung der Kurbelwelle umgeformt. Anschließend kann in bevorzugter Weise durch eine BY-Behandlung ein schmiedeperlitisches Gefüge mit für den verwendeten Stahl definierten Festigkeitskennwerten eingestellt werden. Bei einer solchen BY-Behandlung handelt es sich um ein geregeltes Abkühlen von Schmiede- und/oder Walzteilen aus der Umformwärme. Ziel dabei ist das Einstellen eines gleichmäßigen und definierten Gefügezustands, welcher eine Gebrauchsfestigkeit und/oder eine optimale Bearbeitbarkeit erfüllt.
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Zusätzlich kann durch gezieltes Legieren mit den Elementen Vanadium, Titan, Niob, Bor und Stickstoff, einzeln oder in Kombination, die durch BY-Behandlung erzielbare Festigkeit des Grundmaterials modifiziert werden.
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An die BY-Behandlung schließt sich z. B. eine Weichbearbeitung an. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zur Ausbildung des Außenumfangsbereichs der Kurbelwelle als Lagerstelle, die als Laufbahn für die Wälzkörper fungiert, dieser Außenumfangsbereich bzw. mehrere derartige Bereiche entsprechend zerspanend vorbearbeitet wird bzw. werden.
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Idealerweise wird das Schmiedeteil aus Kostengründen unmittelbar aus der Schmiedehitze entsprechend der oben genannten BY-Behandlung abgekühlt. Dies vermeidet zusätzliche Wärmebehandlungskosten und erlaubt eine gute Zerspanbarkeit der Welle. Wenn es konstruktive Randbedingungen erforderlich machen, dass die Kurbelwelle eine höhere Grundfestigkeit aufweisen muss als diese beim verwendeten Stahl über BY-Behandlung erreichbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Schmiedeteil direkt aus der Schmiedehitze vergütet wird oder in einem dem Schmieden nachgelagerten Schritt separat vergütet wird.
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Im Fortgang werden dann die entsprechenden Lagerstellen durch ein geeignetes Verfahren gehärtet. Als Härteverfahren wird beispielsweise ein Laserhärten, ein Elektronenstrahlhärten oder ein Induktionshärten durchgeführt. Das Induktionshärten birgt dabei den Vorteil, dass es sich um ein kostengünstiges Verfahren insbesondere zur Serienfertigung von Kurbelwellen handelt, welches den Investitionsbedarf und damit die Kosten in einem geringen Rahmen hält.
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Bedingt durch den relativ hohen Kohlenstoffgehalt der Kurbelwelle, insbesondere an den Lagerstellen, wird durch das Härteverfahren vorteilhafter Weise eine Oberflächenhärte von im Mittel mindestens 58 HRC (Rockwell Härte) eingestellt. Des Weiteren wird bevorzugt eine Randhärtetiefe ausgebildet, die im Mittel mindestens 0,5 mm beträgt. Gleichzeitig werden bei einer derartigen Randschichthärtung Druckeigenspannungen an oberflächennahen Zonen erreicht, die sich hinsichtlich betriebsbedingter Pressungen positiv auf eine hohe Lebensdauer auswirken.
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Im Anschluss an das Härteverfahren kann ein Entspannen der randschichtgehärteten Bereiche beispielsweise durch Anlassen in einem Ofen, durch induktives Kurzzeitanlassen sowie vorrangig durch Anlassen aus der Restwärme erfolgen.
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Im Weiteren wird die Lagerstelle bzw. werden die Lagerstellen entsprechend hart bearbeitet, um erforderliche Genauigkeiten und Oberflächentopographien einzustellen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der Figur ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Kurbelwelle, welche aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher einen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis einschließlich 0,8 Gew.-% aufweist.
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Die Figur zeigt eine Kurbelwelle 10 für eine Hubkolbenmaschine mit einer Hauptlagerstelle 12, welche in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle 10 gemäß einem Richtungspfeil 14 zwischen zwei Kurbelwangen 16 und 18 angeordnet ist. Die Hauptlagerstelle 12 der Kurbelwelle 10 dient dazu, die Kurbelwelle 10 in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine zu lagern. Die Hauptlagerstelle 12 ist dabei durch einen Außenumfangsabschnitt der Kurbelwelle 10 gebildet und fungiert direkt als Laufbahn für Wälzkörper, welche also direkt auf dem Außenumfangsabschnitt und damit der Hauptlagerstelle 12, das heißt direkt auf der Kurbelwelle 10 abrollen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Hauptlagerstelle 12 der Kurbelwelle 10 als Innenring eines Wälzlagers zur Lagerung der Kurbelwelle 10 fungiert. Dadurch ist die Kurbelwelle 10 besonders reibungs- und verlustarm lagerbar, was zu einem sehr geringen Kraftstoffverbrauch und damit zu geringen CO2-Emissionen der Hubkolbenmaschine führt.
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Zur Darstellung sehr guter Lagerungseigenschaften der Kurbelwelle 10 ist diese zumindest im Bereich der Hauptlagerstelle 12 aus einem Stahl gebildet, welcher einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt aufweist, der zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis einschließlich 0,8 Gew.-% liegt. Dieser relativ hohe Kohlenstoffgehalt erlaubt es, die Kurbelwelle 10 zumindest im Bereich der Hauptlagerstelle 12 durch ein Randschichthärteverfahren zu härten und anschließend vorzugsweise anzulassen. Dabei wird eine in der Figur schematisch dargestellte Randschichthärtezone 20 ausgebildet, welche eine Oberflächenhärte von mindestens 58 HRC (Rockwell-Härte) aufweist. Die Randhärtetiefe der Randschichthärtezone 20 beträgt zumindest 0,5 mm.
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Damit weist die Kurbelwelle 10 zumindest im Bereich der Hauptlagerstelle 12 sehr gute Härte- und infolge des Härteverfahren sehr gute Härtewerte und Druckeigenspannungen auf, die einer sehr guten Wälzlagerung der Kurbelwelle 10 mit einer hohen Lebensdauer zugute kommen.
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Die Kurbelwelle 10 kann dabei eine Mehrzahl von Hauptlagerstellen gemäß der Hauptlagerstelle 12 aufweisen, über welche sie in dem Kurbelgehäuse lagerbar ist. Das bzgl. den Härte- und Lagerungseigenschaften der Hauptlagerstelle 12 Ausgeführte gilt dabei für anderweitige Lagerstellen analog. Ebenso kann die Kurbelwelle 10 eine Mehrzahl von Hubzapfen aufweisen, an welchen jeweils ein Pleuel gelagert werden kann. Auch bei dieser Lagerung der Pleuel an dem korrespondierenden Hubzapfen kann eine Wälzlagerung entsprechend der Hauptlagerstelle 12 eingesetzt werden, wobei entsprechende Lagerstellen der Hubzapfen ebenso aus einem bzw. dem Stahl ausgebildet sind, welcher einen Kohlenstoffgehalt aufweist, welcher zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von einschließlich 0,5 Gew.-% bis einschließlich 0,8 Gew.-% liegt und gegebenenfalls durch ein Härteverfahren gehärtet und gegebenenfalls angelassen ist. Somit können auch die Lagerstellen der Hubzapfen für die Pleuel als Laufbahnen für Wälzkörper fungieren, wobei entsprechende Wälzkörper direkt auf der Kurbelwelle bzw. auf den Hubzapfen abrollen. Dadurch ist also nicht nur die Kurbelwelle 10 in dem Kurbelgehäuse sondern sind auch die Pleuel an den Hubzapfen wälzgelagert, was die Reibungsverluste und damit den Kraftstoffverbrauch sowie die CO2-Emissionen der Hubkolbenmaschine sehr gering hält. Auch die Lagerstellen der Hubzapfen können dabei vorteilhafter Weise Oberflächenhärtewerte von mindestens 58 HRC sowie eine Randhärtetiefe von mindestens 0,5 mm aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kurbelwelle
- 12
- Hauptlagerstelle
- 14
- Richtungspfeil
- 16
- Kurbelwange
- 18
- Kurbelwange
- 20
- Randschichthärte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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