DE102017113070B3

DE102017113070B3 - Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102017113070B3
Application number: DE102017113070.5A
Authority: DE
Inventors: Alfons Reeb; Jochen Schmidt; Konrad Grimm
Original assignee: Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH; Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Current assignee: Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH; Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: WO2018228792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und/oder Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4). Dabei ist vorgesehen, dass in wenigstens zwei Übergangsradien (8) unterschiedlich große Schlagkräfte (F) eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Kurbelwelle.
Aufgrund der stetig fortschreitenden Entwicklung und Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen und an diese gestellte strengen Emissionsforderungen werden heutige Motoren in Folge immer stärker beansprucht. Aus diesem Grund stellt die Motorenindustrie unter anderem an die hochbelastete und für die Funktion einer Brennkraftmaschine wichtige Kurbelwelle hohe Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit. Konstruktiv besteht dabei häufig die Anforderung, dass die Kurbelwelle leicht und der Platzbedarf gering sein soll. Für die Auslegung der Kurbelwelle bedeutet dies, dass eine Erhöhung der Beanspruchbarkeit nicht über die Erhöhung des Querschnitts, also über das Widerstandsmoment der Kurbelwelle, sondern möglichst über lokale Druckeigenspannungszustände erzielt werden sollte. Aus diesem Grund werden moderne Kurbelwellen unter Verwendung der verschiedensten Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren hergestellt, so dass die Kurbelwellen immer höheren Motorleistungen ausgesetzt werden können.
Beispiele für solche Verfahren sind thermische Behandlungen, wie die Oberflächenhärteverfahren Induktions- und Einsatzhärten, Laserhärten oder Nitrieren, sowie Kaltverfestigungsverfahren, wie Festwalzen, Kugelstrahlen oder Schlagverfestigen. Hierbei handelt es sich um gängige und zum großen Teil ausgereifte Verfahren, die für die verschiedensten Einsatzzwecke geeignet sind.
Hinsichtlich Beispielen für solche Verfahren wird auf die folgenden Druckschriften verwiesen: EP 1 479 480 A1 , EP 0 788 419 B1 , EP 1 612 290 A1 , DE 10 2007 028 888 A1 und EP 1 034 314 B1 .
Insbesondere das Schlagverfestigen ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Steigerung der Dauerschwingfestigkeit, insbesondere der Biegewechselfestigkeit und der Torsionswechselfestigkeit, von Kurbelwellen. Die Steigerung der Dauerfestigkeit wird dabei dadurch erreicht, dass in die beanspruchten Bereiche bei Querschnittsübergängen und Querschnittsänderungen durch Kaltverformen, vorzugsweise Hämmern mittels spezieller Schlagwerkzeuge, in die Kurbelwelle Schlagkräfte eingebracht werden. Als Beispiel für ein derartiges Verfahren wird auf die DE 34 38 742 C2 und die EP 1 716 260 B1 verwiesen.
Um ein nachteiliges Einbringen von Rundlauffehlern durch das Hämmern zu vermeiden, sind strenge Kontrollabläufe und hochqualifiziertes Personal zur Durchführung des Verfahrens erforderlich. Ferner kann eine Nachkontrolle mit korrigierenden Maßnahmen erforderlich sein, um den Rundlauf der Kurbelwelle nach der Schlagverfestigung gegebenenfalls geringfügig zu korrigieren. Obwohl ein optimaler Rundlauf der fertiggestellten Kurbelwelle durch die langjährig bewährten Verfahren grundsätzlich garantiert werden kann, sind der maschinelle und personelle Aufwand um dieses Ziel zu erreichen verhältnismäßig groß. Es wäre demnach wünschenswert, ein Verfahren zum Schlagverfestigen bereitzustellen, bei dem Rundlauffehler mit geringerem Aufwand vermieden werden können.
Die DE 10 2016 058 710 A1 offenbart eine Werkzeugmaschine zum Schlagverfestigen der Wangenradienübergänge von Kurbelwellen für Brennkraftmaschinen. Vorgesehen ist, dass sich die Kurbelwelle während der Impulseinbringung in Drehung befindet.
Die DE 11 2014 000 861 T5 offenbart ein Verfahren zum Schlagverfestigen (Hammer-Peening) von Kurbelzapfenausrundungen und Hauptlagerzapfenausrundungen einer Kurbelwelle. Dabei sollen bruchstückhafte bogenförmige Abschnitte (Ermüdungszonen) jeweils unter Verwendung eines Peening-Verfahrens bzw. eines Hammer-Peenings verstärkt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die Verfahren zum Schlagverfestigen weiter zu entwickeln, um die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen weiter zu verbessern, insbesondere unter Vermeidung von Rundlauffehlern.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Schließlich liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, eine - insbesondere bezüglich ihrer Dauerfestigkeit und ihrem Rundlauf - verbesserte Kurbelwelle bereitzustellen.
Bezüglich der Kurbelwelle wird die Aufgabe durch die in Anspruch 13 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schlagverfestigen ist vorgesehen, dass Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle schlagverfestigt werden.
Die Pleuellagerzapfen und die Hauptlagerzapfen werden zur Vereinfachung nachfolgend teilweise auch nur als „Zapfen“ bezeichnet. Der Begriff Zapfen kann dabei sowohl die Pleuellagerzapfen und die Hauptlagerzapfen bezeichnen, als auch nur die Pleuellagerzapfen oder nur die Hauptlagerzapfen. Insofern dies nicht explizit anders angegeben ist, sind hier alle drei Varianten durch den Begriff Zapfen umfasst.
Besonders bevorzugt eignet sich die Erfindung zur Steigerung der Dauerfestigkeit von beispielsweise Kurbelwellen mit 0,2 bis 8 m Länge oder mehr und/oder Haupt- und Pleuellagerzapfendurchmesser von 30 bis 500 mm oder mehr. Ganz besonders eignet sich die Erfindung allerdings zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Großkurbelwellen von 1,5 bis 8 m Länge oder mehr und/oder Haupt- und Pleuellagerzapfendurchmesser von 100 bis 500 mm oder mehr.
Die Kurbelwelle kann verschiedene Arten von Übergangsradien, beispielsweise Hohlkehlen, zum Beispiel in Korbbogenform, oder auch hinterschnittene bzw. hinterlegte Radien bzw. Radien mit Übergängen, aufweisen. Die Übergangsradien können beispielsweise tangierend in die Lagerzapfenstellen bzw. Laufflächen der Haupt- und Pleuellagerzapfen übergehen.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Üblicherweise weist die Kurbelwelle an allen Übergängen bzw. Querschnittsänderungen Übergangsradien auf. Dies gilt insbesondere für Querschnittsänderungen zwischen Lagerzapfen und Kurbelwangen. Hierfür eignet sich die Erfindung in besonderer Weise. Übergangsradien können aber auch für beliebige andere Querschnittsänderungen, insbesondere für Querschnittsänderungen an den Endpartien der Kurbelwelle, z. B. bei einem Übergang auf einen Flansch, eine Scheibe oder eine Welle etc., vorgesehen sein. Ein Übergangsradius, dessen Dauerfestigkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren verbessert werden soll, muss somit nicht unbedingt zwischen einem Pleuellagerzapfen und einer Kurbelwange oder einem Hauptlagerzapfen und einer Kurbelwange vorliegen, sondern kann an einer beliebigen Stelle der Kurbelwelle angeordnet sein. Die Begriffe „Pleuellagerzapfen“, „Hauptlagerzapfen“, „Flansch“, „Zapfen“ und/oder „Kurbelwange“ können dementsprechend von einem Fachmann umgedeutet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung im Wesentlichen anhand der Verfestigung von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwange und/oder Hauptlagerzapfen und Kurbelwange beschrieben. Dies ist aber nicht einschränkend zu verstehen und soll nur dem besseren Verständnis bzw. der besseren Lesbarkeit dienen. Insofern im Rahmen der Erfindung auf einen Übergangsradius Bezug genommen wird kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Übergangsradius an einer beliebigen Stelle der Kurbelwelle handeln.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedlich große Schlagkräfte eingebracht werden.
Darunter, dass in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedlich große Schlagkräfte eingebracht werden, wird vorzugsweise verstanden, dass der Unterschied zwischen den Schlagkräften zumindest größer ist als ein Toleranzbereich, der typischerweise beim Einbringen der Schlagkräfte beim Stand der Technik vorhanden ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die unterschiedlich eingebrachten Schlagkräfte signifikant. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sich die Schlagkräfte, die in die wenigstens zwei Übergangsradien eingebracht werden, um wenigstens 2%, vorzugsweise um wenigstens 5%, besonders bevorzugt um wenigstens 10% und ganz besonders bevorzugt um wenigstens 30% unterscheiden.
Unter dem Einbringen einer Schlagkraft kann verstanden werden, dass ein Schlagkopf eines Schlagwerkzeugs bzw. ein sog. „Döpper“ einer Schlageinrichtung gegen den zu verfestigenden Bereich der Kurbelwelle, vorliegend einen Übergangsradius, schlägt. Der Schlag erfolgt dabei zielgerichtet auf die gewünschte Schlagposition entlang des ringförmig um den Zapfen umlaufenden Übergangsradius.
Die Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sehen vor, dass bei der Schlagverfestigung der Übergangsradien der Kurbelwelle in alle Übergangsradien, insbesondere in die Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und die Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und Kurbelwangen, dieselbe Schlagkraft eingebracht wird. Die Schlagkraft ist dabei derart gewählt, dass diese ausreicht, um genügend Druckeigenspannungen in alle zu verfestigenden Übergangsradien der Kurbelwelle einzubringen.
Bei einem gleichmäßigen Einbringen von Druckeigenspannungen in alle Übergangsradien der Kurbelwelle können im Einzelfall nicht mehr tolerierbare Rundlauffehler nach dem Verdichten festgestellt werden, wenn die Schlagkraft zu hoch eingestellt wird. Aus diesem Grund wird die Schlagkraft häufig limitiert, um sicherzustellen, dass keine irreparablen oder ungewünschten Rundlauffehler auftreten.
Die Erfinder haben auf Grundlage von Simulationen und Versuchsreihen erkannt, dass die Robustheit bzw. Dauerfestigkeit der Kurbelwelle in gleichbleibender - und mitunter sogar besserer - Güte vorteilhaft auch dann erreicht werden kann, wenn die Schlagkräfte für unterschiedliche Übergangsradien individuell variiert werden. Hierdurch können kritische Rundlauffehler im Optimalfall vollständig ausgeschlossen und damit der Aufwand für eine spätere Rundlaufkorrektur minimiert werden.
Durch die Erfindung ist auch ein kostengünstigerer Bearbeitungsablauf durch Reduzierung der Bearbeitungsschritte möglich. Insbesondere kann eine weniger spanende Bearbeitung für einen Ausgleich der Rundlauffehler in der Folgebearbeitung realisierbar sein.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verbesserung des Rundlaufs nicht ausschließlich deshalb eintritt, weil in für den Rundlauf kritische Abschnitte der Kurbelwelle bzw. in Übergangsradien der Kurbelwelle erfindungsgemäß nun eine im Vergleich zu weiteren Abschnitten nun auch verringerte Schlagkraft eingebracht werden kann, sondern insbesondere auch, da die Druckeigenspannungen nunmehr unterschiedlich, z. B. „chaotisch“, über die Kurbelwelle verteilt werden können, wobei aber in jedem Fall die minimal benötigten Druckeigenspannungen in jedem Übergangsradius eingebracht werden.
Dadurch, dass in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedlich große Schlagkräfte eingebracht werden, kann die Prozessgeschwindigkeit für die Herstellung der Kurbelwelle maximiert werden, da die Schlagkräfte bereits derart eingestellt werden können, dass Rundlauffehler durch eine geeignet angepasste Schlagkraft bereits vermieden werden, bevor sie überhaupt entstehen können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit besonders effizient und wirtschaftlich. Gleichzeitig können Kurbelwellen mit zumindest gleicher Güte bzw. Robustheit hergestellt werden, als mit den bekannten Verfahren des Stands der Technik.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei Kurbelwellen angewendet bzw. eingesetzt werden, die bereits vorher zur Steigerung ihrer Dauerfestigkeitseigenschaften durch andere Verfahren bearbeitet worden sind. So kann zum Beispiel eine Kurbelwelle, die durch Induktionshärten gehärtet wurde, nachträglich noch bezüglich ihrer Biege- und Torsionswechselfestigkeit durch eine Einbringung von Druckeigenspannungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verbessert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Pleuellagerzapfen angrenzende Übergangsradien die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Hauptlagerzapfen angrenzende Übergangsradien die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Schließlich kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass in zwei aneinander angrenzende bzw. benachbarte Übergangsradien betreffend Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstige geometrische Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien - die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Insbesondere kann es somit von Vorteil sein, wenn die Schlagkraft zwischen zwei an denselben Zapfen angrenzenden Übergangsradien nicht variiert wird.
Erfindungsgemäß können Gruppen von Übergangsradien definiert sein, in die die gleiche Schlagkraft eingebracht wird. Beispielsweise können jeweils zwei an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien eine Gruppe bilden.
Auf diese Weise können Druckeigenspannungen symmetrisch in die Übergangsradien bestimmter Zapfen eingebracht werden, während über die Kurbelwelle betrachtet dennoch die in die Übergangsradien eingebrachten Schlagkräfte variiert werden können. Dies hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien von wenigstens zwei Hauptlagerzapfen, vorzugsweise in die Übergangsradien aller Hauptlagerzapfen, die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann schließlich auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien von wenigstens zwei Pleuellagerzapfen, vorzugsweise in die Übergangsradien aller Pleuellagerzapfen, die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Eine Möglichkeit zur Bildung von Gruppen von Übergangsradien, in die dieselbe Schlagkraft eingebracht wird, kann sich somit auch dadurch ergeben, dass die Übergangsradien aller Hauptlagerzapfen eine Gruppe bilden. Auch die Übergangsradien aller Pleuellagerzapfen können gegebenenfalls eine Gruppe bilden.
Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Vermeidung von Rundlauffehlern bereits ausreichend sein kann, in alle Übergangsradien der Hauptlagerzapfen und in alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen jeweils dieselbe Schlagkraft einzubringen, wobei sich die Schlagkraft, die in die Übergangsradien der Hauptlagerzapfen eingebracht wird, in diesem Fall von der Schlagkraft, die in die Übergangsradien der Pleuellagerzapfen eingebracht wird, unterscheidet.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien eines ersten Pleuellagerzapfens eine erste Schlagkraft und in die Übergangsradien eines zweiten Pleuellagerzapfens eine zweite (von der ersten Schlagkraft abweichende) Schlagkraft eingebracht wird. Gegebenenfalls kann in die Übergangsradien jedes Pleuellagerzapfens eine individuelle Schlagkraft eingebracht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer Weiterbildung auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien eines ersten Hauptlagerzapfens eine erste Schlagkraft und in die Übergangsradien eines zweiten Hauptlagerzapfens eine zweite (von der ersten Schlagkraft abweichende) Schlagkraft eingebracht wird. Gegebenenfalls kann in die Übergangsradien jedes Hauptlagerzapfens eine individuelle Schlagkraft eingebracht werden.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Insbesondere auf Basis von Berechnungen, Simulationen und/oder Versuchsreihen des entsprechenden Kurbelwellentyps können die Schlagkräfte somit individuell für jeden Übergangsradius bestimmt werden. Dabei können sich für jeden Übergangsradius oder zumindest für verschiedene Gruppen von Übergangsradien optimal geeignete Schlagkräfte und Schlagmuster ergeben. Im besten Fall kann somit vollständig vermieden werden, dass Rundlauffehler durch die Schlagverfestigung überhaupt erst entstehen. Ferner kann die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle durch diese Maßnahme die Anforderungen sogar noch übertreffen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Basiswert für die in die Übergangsradien einzubringenden Schlagkräfte anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle und/oder anhand der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle bestimmt wird.
Beispielsweise kann ein Basiswert für die gesamte Kurbelwelle bestimmt werden, bei dem es sich um eine minimale Schlagkraft handeln kann, bei deren Einbringung die gewünschte Dauerfestigkeit in allen Abschnitten der Kurbelwelle noch, oder vorzugsweise unter Hinzunahme eines Sicherheitsspielraums, gewährleistet ist.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Basiswert für verschiedene Abschnitte der Kurbelwelle individuell bestimmt wird, derart, dass in den jeweiligen Abschnitten die gewünschte Dauerfestigkeit der Kurbelwelle, vorzugsweise unter Hinzunahme eines Sicherheitsspielraums, gewährleistet wird. Beispielsweise kann ein Basiswert für Endpartien bzw. Endbereiche der Kurbelwelle, ein Basiswert für einen mittleren Abschnitt der Kurbelwelle, ein Basiswert für alle Hauptlagerzapfen, ein Basiswert für alle Pleuellagerzapfen und/oder ein Basiswert für sonstige Abschnitte der Kurbelwelle bestimmt werden. Es können also insbesondere auch mehrere Basiswerte vorgesehen sein.
Der Basiswert kann auch derart gewählt werden, dass dieser einen definierten Prozentsatz, zum Beispiel 10% bis 50%, vorzugsweise 20% bis 40%, größer ist als die minimal für die Kurbelwelle oder den Bereich der Kurbelwelle notwendige Schlagkraft, so dass der Basiswert nach oben und nach unten angepasst werden kann, um die Übergangsradien schlagzuverfestigen.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Basiswert um einen Ausgleichswert variiert wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren.
Wenn für die in die Übergangsradien einzubringenden Schlagkräfte ein Basiswert bestimmt wird, der höher ist als ein Minimalwert (beispielsweise unter Hinzunahme wenigstens eines Sicherheitsspielraums), kann der Basiswert durch jeweilige Ausgleichswerte individuell für einzelne Übergangsradien variiert, insbesondere erhöht werden, wobei zu beachten ist, dass der Minimalwert der Schlagkraft zum Erreichen der gewünschten Dauerfestigkeit an einem Übergangsradius nicht unterschritten wird. Der Ausgleichswert kann also gezielt zur Vermeidung bzw. zum Ausgleich von Rundlauffehlern herangezogen werden.
Somit können die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle und der Rundlauf der Kurbelwelle nahezu unabhängig voneinander einstellbar sein.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen mit dem Basiswert schlagverfestigt werden, und alle Übergangsradien der Hauptlagerzapfen mit dem durch den Ausgleichswert variierten Basiswert, beispielsweise einem auf den Basiswert bezogenen 110%-igen Wert oder 90%-igen Wert schlagverfestigt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass alle Hauptlagerzapfen mit dem Basiswert und alle Pleuellagerzapfen mit dem durch den Ausgleichswert variierten Basiswert schlagverfestigt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert für mehrere, vorzugsweise für jeden Übergangsradius, individuell bestimmt wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert höchsten 30%, vorzugsweise höchstens 15%, besonders bevorzugt höchstens 5%, des Basiswerts beträgt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert höchsten 30%, jedoch mindestens 20%, höchstens 20%, jedoch mindestens 15%, höchstens 15%, jedoch mindestens 10%, oder höchstens 10%, jedoch mindestens 5%, des Basiswerts beträgt.
In einer besonderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zum Einbringen einer Schlagkraft in wenigstens einen der Übergangsradien entlang des ringförmig um die Kurbelwelle (insbesondere um den Pleuellagerzapfen und/oder Hauptlagerzapfen) umlaufenden jeweiligen Übergangsradius ein hoch beanspruchter Bereich, ein wenig beanspruchter Bereich und dazwischen liegende Zwischenbereiche definiert werden, wonach derart schlagverfestigt wird, dass die in die Zwischenbereich eingebrachte Schlagkraft in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich erhöht wird.
Mit einem hoch beanspruchten Bereich ist vorliegend ein Bereich des jeweiligen Übergangsradius der Kurbelwelle gemeint, der besonders hohen Belastungen, insbesondere im Motorenbetrieb, beispielsweise Zugkräften etc., ausgesetzt ist. Für die Belastbarkeit der Kurbelwelle ist die Beachtung der hoch beanspruchten Bereiche der Übergangsradien von zentraler Bedeutung. In diese Bereiche sollten vorzugsweise die höchsten Druckeigenspannungen eingebracht werden.
Mit einem hoch beanspruchten Bereich kann ein Bereich entlang des Umfangs des Übergangsradius und/oder ein Bereich entlang des ringförmig um die Kurbelwelle bzw. um den Pleuellagerzapfen und/oder den Hauptlagerzapfen umlaufenden jeweiligen Übergangsradius gemeint sein.
Beispielsweise kann ein Bereich um den sogenannten unteren Totpunkt eines Pleuellagerzapfens herum ein hoch beanspruchter Bereich im Sinne der Erfindung sein. Der untere Totpunkt ist der Bereich, der im Motorenbetrieb als Zugseite des Pleuellagerzapfens bzw. als der Druckseite entgegengesetzt bezeichnet werden kann.
Die Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sehen vor, dass bei der Schlagverfestigung eines Übergangsradius eine konstante Schlagkraft entlang des ringförmig um den Pleuellagerzapfen und/oder den Hauptlagerzapfen umlaufenden jeweiligen Übergangsradius eingebracht wird. Die Schlagkraft ist dabei derart gewählt, dass diese ausreicht, um genügend Druckeigenspannungen in die hoch beanspruchten Bereiche der Kurbelwelle einzubringen.
Für die Robustheit der Kurbelwelle ist es allerdings nicht erforderlich, die gleichen Druckeigenspannungen auch in die kaum beanspruchten Bereiche bzw. die wenig beanspruchten Bereiche (und die Zwischenbereiche) einzubringen. Die vollständig umlaufende Schlagverfestigung eines Übergangsradius entlang des Umfangs der Kurbelwelle verursacht einen hohen Aufwand.
Demnach wäre es vorzuziehen, (hohe) Druckeigenspannungen lediglich in den oder die hoch beanspruchten Bereiche der Übergangsradien einzubringen.
Gleichwohl kann es von Vorteil sein, Schlagkräfte in alle Bereiche eines bestimmten Übergangsradius einzubringen.
Auf Grundlage von Simulationen und Versuchsreihen haben die Erfinder mittlerweile herausgefunden, dass die Robustheit bzw. die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle in gleichbleibender oder besserer Güte vorteilhaft auch dann erreicht werden kann, wenn die maximale Schlagkraft, die in einen bestimmten Übergangsradius eingebracht wird, lediglich in den hoch beanspruchten Bereich eingebracht wird, und wenn die Schlagkraft ausgehend von den Zwischenbereichen in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich erhöht wird.
Dadurch kann eine abrupte bzw. plötzliche Änderung der Schlagkraft von einem Schlag zum nachfolgenden Schlag vermieden werden.
Es kann in dieser besonderen Variante also vorgesehen sein, dass die Übergangsradien nun nicht mehr vollständig umlaufend (mit derselben Schlagkraft) verfestigt werden.
Durch die Fokussierung auf die hoch beanspruchten Bereiche der Übergangsradien kann sich sogar eine Verbesserung der Robustheit der Kurbelwelle ergeben.
In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die in die Zwischenbereiche eingebrachte Schlagkraft stetig in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich erhöht wird.
Insbesondere kann ein hoch beanspruchter Bereich vorgesehen sein, der beidseitig von Zwischenbereichen umgeben ist, wodurch der hoch beanspruchte Bereich von dem wenig beanspruchten Bereich getrennt ist.
Grundsätzlich kann im Sinne der Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Schlagkraft innerhalb der Zwischenbereiche und/oder des wenig beanspruchten Bereichs einem beliebigen Verlauf folgt, wobei vorzugsweise allerdings sprungartige Änderungen der Schlagkraft vermieden werden und die Schlagkraft in dem hoch beanspruchten Bereich des Übergangsradius vorzugsweise am höchsten ist (insbesondere maximal, durchschnittlich und/oder in Summe aller einzelnen Schlagkräfte des Übergangsradius betrachtet).
Vorzugsweise wird die in die Zwischenbereiche eingebrachte Schlagkraft monoton, ganz besonders bevorzugt streng monoton, in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich erhöht.
In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die in die Zwischenbereiche eingebrachte Schlagkraft gleichmäßig bzw. linear in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich erhöht wird.
Es ist auch möglich, die in die Zwischenbereiche eingebrachte Schlagkraft gemäß einer beliebigen mathematischen Funktion in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich zu erhöhen.
In einer Variante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass in den wenig beanspruchten Bereich beim Schlagverfestigen keine Schlagkraft oder nur eine Schlagkraft eingebracht wird, die geringer ist als oder gleich groß ist wie die geringste Schlagkraft, die in die Zwischenbereiche eingebracht wird.
Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass in dem wenig beanspruchten Bereich keine Schlagverfestigung des Übergangsradius stattfindet.
In einer Variante der Erfindung kann schließlich auch vorgesehen sein, dass in den hoch beanspruchten Bereich beim Schlagverfestigen eine Schlagkraft eingebracht wird, die größer ist als oder gleich groß ist wie die größte Schlagkraft, die in die Zwischenbereiche des Übergangsradius eingebracht wird.
Vorzugsweise wird in jedem Bereich nur die zum Erreichen der gewünschten Dauerschwingfestigkeit notwendige Schlagkraft eingebracht, wobei die Schlagkraft in Richtung auf Bereiche, für die eine andere Schlagkraft vorteilhaft ist, vorzugsweise gleichmäßig erhöht oder reduziert wird.
In einer Variante der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schlagkraft, die beim Schlagverfestigen in den hoch beanspruchten Bereich eingebracht wird, anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle und/oder der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle bestimmt wird.
Es kann also ausreichend sein, zum Erreichen der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle und/oder der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle lediglich die notwendige Schlagkraft in den hoch beanspruchten Bereichen zu berücksichtigen.
In einer Variante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Schlagkraft, die beim Schlagverfestigen in den hoch beanspruchten Bereich eingebracht wird, konstant ist bzw. über den hoch beanspruchten Bereich konstant gehalten wird.
In Simulationen und Versuchen hat sich herausgestellt, dass eine hohe Dauerfestigkeit bzw. Robustheit der Kurbelwelle insbesondere dadurch erreichbar ist, dass in den hoch beanspruchten Bereich eine (hohe) Schlagkraft mit einer konstanten Stärke eingebracht wird. Dies gilt insbesondere (aber nicht ausschließlich), wenn in die Zwischenbereiche ausgehend von dem hoch beanspruchten Bereich jeweils bezüglich ihrer Stärke abfallende Schlagkräfte, insbesondere von einem Schlag zum nachfolgenden Schlag linear abfallende Schlagkräfte, eingebracht werden, die in dem wenig beanspruchten Bereich bis auf null reduziert werden können.
In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der hoch beanspruchte Bereich entlang des ringförmig um den Pleuellagerzapfen umlaufenden Übergangsradius, ausgehend von einem höchstbelasteten Punkt des Pleuellagerzapfens, wenigstens ± 20°, vorzugsweise wenigstens ± 30°, weiter bevorzugt wenigstens ± 40°, besonders bevorzugt wenigstens ± 50°, ganz besonders bevorzugt wenigstens ± 60°, beispielsweise wenigstens ± 70°, wenigstens ± 80° oder wenigstens ± 90° beträgt.
Es kann auch eine Obergrenze für die Erstreckung des hoch beanspruchten Bereichs entlang des ringförmig um den Pleuellagerzapfen umlaufenden Übergangsradius festgelegt sein, wonach der hoch beanspruchte Bereich, ausgehend von dem höchstbelasteten Punkt des Pleuellagerzapfens, höchstens ± 90°, vorzugsweise höchstens ± 80°, weiter bevorzugt höchstens ± 70°, ganz besonders bevorzugt höchstens ± 60°, beispielsweise höchstens ± 50°, beispielsweise höchstens ± 40°, höchstens ± 30° oder höchstens ± 20° beträgt.
Bei dem höchstbelasteten Punkt des Pleuellagerzapfens handelt es sich insbesondere um den unteren Totpunkt des Pleuellagerzapfens.
Es kann somit also insbesondere vorgesehen sein, dass ausgehend von einem höchstbelasteten Punkt eines Zapfens der hoch beanspruchte Bereich entlang des Umfangs des Zapfens definiert wird.
In einer Variante der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass der hoch beanspruchte Bereich entlang des ringförmig um den Hauptlagerzapfen umlaufenden Übergangsradius, ausgehend von einem höchstbelasteten Punkt des Hauptlagerzapfens, wenigstens ± 20°, vorzugsweise wenigstens ± 30°, weiter bevorzugt wenigstens ± 40°, besonders bevorzugt wenigstens ± 50°, ganz besonders bevorzugt wenigstens ± 60°, beispielsweise wenigstens ± 70°, wenigstens ± 80° oder wenigstens ± 90° beträgt.
Es kann auch eine Obergrenze für die Erstreckung des hoch beanspruchten Bereichs entlang des ringförmig um den Hauptlagerzapfen umlaufenden Übergangsradius festgelegt sein, wonach der hoch beanspruchte Bereich, ausgehend von einem höchstbelasteten Punkt des Hauptlagerzapfens, höchstens ± 90°, vorzugsweise höchstens ± 80°, weiter bevorzugt höchstens ± 70°, ganz besonders bevorzugt höchstens ± 60°, beispielsweise höchstens ± 50°, beispielsweise höchstens ± 40°, höchstens ± 30° oder höchstens ± 20° beträgt.
Dies gilt analog auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Zur Bestimmung des hoch beanspruchten Bereichs bzw. des höchstbelasteten Punkts können Simulationen und/oder Berechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps herangezogen werden.
Die jeweiligen hoch beanspruchten Bereiche oder die jeweiligen höchstbelasteten Punkte der Übergangsradien können sich bei den einzelnen Übergangsradien der Kurbelwelle unterscheiden. Der hoch beanspruchte Bereich oder der höchstbelastete Punkt kann aber auch bei allen Übergangsradien, insbesondere bei einem Typ von Übergangsradien, übereinstimmen. Gegebenenfalls kann der hoch beanspruchte Bereich oder der höchstbelastete Punkt bei allen Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen einerseits und zwischen Hauptlagerzapfen und Kurbelwangen andererseits übereinstimmen.
Selbiges gilt auch für den oder die Zwischenbereiche sowie den wenig beanspruchten Bereich.
Der hoch beanspruchte Bereich kann ausgehend von dem unteren Totpunkt des Pleuellagerzapfens bzw. dem höchstbelasteten Punkt des Hauptlagerzapfens grundsätzlich eine beliebige Größe aufweisen, beispielsweise auch kleiner sein als ± 20° oder größer sein als ± 90°.
In einer Variante der Erfindung kann insbesondere festgelegt sein, dass der höchstbelastete Punkt (insbesondere bezüglich Torsion) eines Übergangsradius eines Hauptlagerzapfens im Querschnitt der Kurbelwelle auf dem Schnittpunkt des Übergangsradius des Hauptlagerzapfens mit der Verbindungslinie der Mittelpunkte des Hauptlagerzapfens und des an den Übergangsradius des Hauptlagerzapfens angrenzenden Pleuellagerzapfens liegt.
Der höchstbelastete Punkt eines Übergangsradius eines Hauptlagerzapfens kann auf einer dem unteren Totpunkt eines angrenzenden Pleuellagerzapfens abgewandten Seite der Kurbelwelle angeordnet sein.
Erfindungsgemäß können sich die Schlagkräfte, die in den hoch beanspruchten Bereich, den wenig beanspruchten Bereich und die dazwischenliegenden Zwischenbereiche eines Übergangsradius eingebracht werden, von den Schlagkräften, die in die entsprechenden Bereiche eines anderen Übergangsradius eingebracht werden, unterscheiden. Insbesondere können sich die Muster der Schlagkräfte, die in die jeweiligen Übergangsradien eingebracht werden, unterscheiden, d. h. die Verteilung der Bereiche entlang des jeweiligen ringförmig umlaufenden Übergangsradius und/oder die Verteilung der Schlagkräfte und/oder die Stärke der Schlagkräfte innerhalb der jeweiligen Bereiche. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sich die maximale Schlagkraft, die in den jeweiligen hoch beanspruchten Bereich der Übergangsradien eingebracht wird, zwischen den Übergangsradien unterscheidet.
Die Kombination des erfindungsgemäßen Grundgedankens, wobei in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedliche große Schlagkräfte eingebracht werden, mit der Einteilung der Schlagkräfte in mehrere Bereiche entlang des ringförmig um die Kurbelwelle umlaufenden jeweiligen Übergangsradius hat sich als besonders geeignet herausgestellt, um Rundlauffehler zu vermeiden und eine maximal mögliche Druckeigenspannung in verschiedene Abschnitte bzw. Bereiche der Kurbelwelle einzubringen.
In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Schlagverfestigen derart erfolgt, dass sich die Eindrücke eines Schlagkopfes wenigstens eines Schlagwerkzeugs entlang des ringförmig um die Kurbelwelle (insbesondere um den Pleuellagerzapfen und/oder Hauptlagerzapfen) umlaufenden jeweiligen Übergangsradius definiert überlappen.
Durch sich überlappende Schlageindrücke bzw. eng angeordnete und exakte festgelegte Schlagpositionen kann eine besonders wirksame Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit bzw. Biegewechselfestigkeit und Torsionswechselfestigkeit erreicht werden.
In einer Variante der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Schlagkopf des wenigstens einen Schlagwerkzeugs die Schlagkraft unter einem verstellbaren Schlagwinkel in den Übergangsradius einbringt.
Der hochbelastete Bereich, die Zwischenbereiche und/oder der wenig beanspruchte Bereich kann bzw. können sich auch auf den Umfang des Übergangsradius selbst beziehen und nicht nur auf den Umfang des jeweiligen Zapfens, um den der Übergangsradius ringförmig umläuft. Die Beanspruchung eines Übergangsradius kann entlang des Umfangs des Übergangsradius ebenfalls unterschiedlich sein.
Unter diesem Aspekt wird der Schlagwinkel derart gewählt, dass die Schlagkraft in einem Winkel eingeleitet wird, der genau auf die im Betrieb der Kurbelwelle höchstbelastete Stelle bzw. das Beanspruchungsmaximum, unter Beachtung der Biegebelastung und Torsionsbelastung, bezogen auf den Umfang des Übergangsradius angepasst ist.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Schlagverfestigen eine Schlageinrichtung verwendet wird, die einen Schlagkolben, eine Umlenkeinheit und wenigstens ein Schlagwerkzeug aufweist, wobei das wenigstens eine Schlagwerkzeug an der Umlenkeinheit befestigt ist und wobei der Schlagkolben über die Umlenkeinheit einen Kraftstoß auf das wenigstens eine Schlagwerkzeug überträgt, wonach der Schlagkopf des wenigstens einen Schlagwerkzeugs die Schlagkraft in den Übergangsradius einbringt.
Vorzugsweise kann eine Schlageinrichtung verwendet werden, die zwei Schlagwerkzeuge aufweist, die an einer gemeinsamen Umlenkeinheit befestigt sind.
Insbesondere kann ein Schlagkolben eingesetzt werden, der einen starken Impuls bzw. einen Kraftstoß (z. B. pneumatisch, hydraulisch und/oder elektrisch erzeugt) auf den Schlagkopf überträgt.
Je nach Schlagkraft entstehen sichtbare Schlageindrücke des Schlagkopfes an den jeweiligen Schlagpositionen. Die Tiefe der Schlageindrücke und die Qualität bzw. die Tiefenwirkung der eingebrachten Druckeigenspannung hängen dabei von der gewählten Schlagkraft ab. Das Werkzeug und die Prozessparameter sind vorzugsweise auf die jeweilige Kurbelwelle und dabei ggf. auf partielle geometrische Änderungen (Querschnittsänderungen) exakt abgestimmt.
Es kann eine Positionssteuerung eingesetzt werden, um die Kurbelwelle schrittweise bzw. getaktet von einer Schlagposition zur nächsten Schlagposition zu drehen. Im einfachsten Fall kann hierfür eine PTP-Steuerung bzw. Punktsteuerung vorgesehen sein.
Um die Kurbelwelle zu drehen, kann eine Antriebseinrichtung vorgesehen sein, die einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, umfasst. Bei dem Elektromotor kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Elektromotor, beispielsweise einen Drehstrommotor (insbesondere eine Drehstrom-Asynchronmaschine), einen Wechselstrommotor, einen Gleichstrommotor oder einen Universalmotor, handeln.
Vorzugsweise kann ein Schrittmotor verwendet werden.
Es kann auch eine zweigeteilte Antriebseinrichtung vorgesehen sein, bei der beispielsweise ein Motor an jedem Ende der Kurbelwelle vorgesehen ist, d. h. ein Synchronantrieb bzw. beidseitiger Antrieb der Kurbelwelle.
Üblicherweise ist die Kurbelwelle zu deren Bearbeitung über eine Befestigungseinrichtung an einer Antriebswelle drehbar festgelegt.
Es kann auch eine Abstützung in der Art eines Reitstocks vorgesehen sein, um die Kurbelwelle an ihrem von der Antriebseinrichtung abgewandten Ende drehbar abzustützen bzw. festzulegen.
Es kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Schlagwerkzeug mit einer Periodizität, vorzugsweise mit einer Taktung bzw. Schlagfrequenz von 0,5 Hz bis 30 Hz, besonders bevorzugt mit einer Taktung von 0,5 Hz bis 5 Hz und ganz besonders bevorzugt mit einer Taktung von 0,5 Hz bis 3 Hz, eine Schlagbewegung durchführen bzw. die Schlagkraft einbringen.
Selbstverständlich können auch andere Taktungen, beispielsweise auch Schlagfrequenzen zwischen 0,1 Hz und 50 Hz, vorgesehen sein, die vorgenannten Werte eignen sich jedoch ganz besonders.
Die Schlagdrücke, die von dem Schlagkolben zu der Schlagkraft umgesetzt werden, können - je nach Betrieb - zwischen 10 und 300 bar, bevorzugt zwischen 30 und 180 bar, und besonders bevorzugt zwischen 50 und 130 bar, betragen.
Die Schlagkraft kann also über die Einstellung eines entsprechenden Schlagdrucks (des Schlagkolbens) vorgegebene werden. Im Sinne der Erfindung kann also auch vorgesehen sein, dass zur Schlagverfestigung von wenigstens zwei Übergangsradien ein unterschiedlicher Schlagdruck verwendet wird. Es können somit beispielsweise auch wenigstens ein Basiswert und wenigstens ein Ausgleichswert bezogen auf den Schlagdruck vorgesehen sein.
Die Temperatur im Bereich des zu bearbeitenden Kurbelwellensegments bzw. Übergangsradius sollte vorzugsweise nicht höher als 65°C liegen; bevorzugt werden Werte zwischen 12°C und 25°C.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass Kurbelwellen nach dynamischer Beanspruchung im Motor oder auf dem Prüfstand nicht ausbreitungsfähige Mikrorisse an den Oberflächen bekommen können. Auf die Dauerfestigkeitseigenschaften haben diese Mikrorisse keine Auswirkung, aber sie können das optische Erscheinungsbild stören.
Da die Einbringung von Druckeigenspannung vorzugsweise bis zu einer Tiefe von 15 mm, aber auch noch tiefer erfolgen kann, bedeutet dies, im Oberflächenbereich der Kurbelwelle kann eine Abtragung von einigen Millimetern, zum Beispiel von 0,1 bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 mm, erfolgen, ohne dass die Biege- und Torsionswechselfestigkeit oder die Dauerschwingfestigkeit der Kurbelwelle leidet.
Untersuchungen haben gezeigt, dass derartige Maßnahmen die Dauerfestigkeit sogar geringfügig erhöhen können, beispielsweise um bis zu 5%.
Die Abtragung der Oberfläche kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie zum Beispiel durch Schleifen, Drehen, Fräsen, Drehfräsen, Schälen oder Polieren.
Die Schlagverfestigung eines Übergangsradius kann auch mehrfach um die Kurbelwelle bzw. den Zapfen umlaufend durchgeführt werden. Es kann also auch vorgesehen sein, Bereiche bzw. Abschnitte schlagzuverfestigen, die bereits zuvor schlagverfestigt wurden. Dabei können sich die Bereiche (d. h. der hoch beanspruchte Bereich, der wenig beanspruchte Bereich und/oder die Zwischenbereiche) teilweise überlappen bzw. über einen Winkelabschnitt definiert sein, der größer ist als 360°. Die Bereiche können beispielsweise über einen Winkelabschnitt von 540°, 720°, 900°, 1080° oder mehr definiert sein.
Es kann vorgesehen sein, mit der Schlagverfestigung in den wenig beanspruchten Bereich zu beginnen (oder in einen Zwischenbereich, wenn in dem wenig beanspruchten Bereich keine Schlagverfestigung stattfindet) und die Schlagkraft ausgehend von diesem Bereich in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich zu steigern.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, zunächst mit einer ersten Schlagkraft entlang des ringförmig umlaufenden Übergangsradius um 360° schlagzuverfestigen und anschließend mit einer zweiten Schlagkraft, die auch mit der ersten Schlagkraft identisch sein kann, die Zwischenbereiche und den hoch beanspruchten Bereich schlagzuverfestigen und in einem dritten Umlauf mit einer dritten Schlagkraft, die auch mit der ersten und/oder zweiten Schlagkraft identisch sein kann, den hoch beanspruchten Bereich schlagzuverfestigen. Grundsätzlich kann die Schlagkraft also auch derart z. B. ausgehend von den Zwischenbereichen in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich erhöht werden, dass in den ringförmig umlaufenden Übergangsradius in mehreren Umläufen Schlagkräfte eingebracht werden. Die Schlagkraft kann also auch als Summe mehrerer einzelner Schlagkräfte eingebracht werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle.
Die Vorrichtung eignet sich auch zur Schlagverfestigung von Übergängen zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Merkmale, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, sind selbstverständlich auch für die Vorrichtung vorteilhaft umsetzbar - und umgekehrt. Ferner können Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt wurden, auch auf die Vorrichtung bezogen verstanden werden - und umgekehrt.
Einige der Komponenten der Vorrichtung können grundsätzlich in ihrem Aufbau der Vorrichtung nach der EP 1 716 260 B1 entsprechen, weshalb der Offenbarungsgehalt der EP 1 716 260 B1 durch Referenzierung vollständig in die vorliegende Offenbarung integriert sei.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Kurbelwelle, hergestellt nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren.
Die erfindungsgemäße Kurbelwelle unterscheidet sich von herkömmlichen Kurbelwellen insbesondere dadurch, dass zu deren Verfestigung in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedlich große Schlagkräfte eingebracht wurden. Ferner kann sich die Kurbelwelle von herkömmlichen Kurbelwellen dadurch unterscheiden, dass zu deren Verfestigung Schlagkräfte in wenigstens einen der Übergangsradien entlang des ringförmig umlaufenden jeweiligen Übergangsradius in verschiedenen Intensitäten bereichsweise eingebracht wurden. Ferner kann sich die erfindungsgemäße Kurbelwelle von herkömmlichen Kurbelwellen dadurch unterscheiden, dass zu deren Verfestigung gegebenenfalls mehr als ein Schlagwinkel verwendet wurde, wodurch sich insgesamt eine charakteristische Verfestigung der Übergangsradien der Kurbelwelle ergibt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:

1 eine Gesamtansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer ersten Ausführung;
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer zweiten Ausführung;
3 eine Schlageinrichtung mit zwei Schlagwerkzeugen in vergrößerter Darstellung gemäß Einzelheit „A“ aus 1;
4 eine Schlageinrichtung mit nur einem Schlagwerkzeug;
5 einen beispielhaften Ausschnitt einer Kurbelwelle und ein Kräftediagramm;
6 einen Schnitt durch die Kurbelwelle der 5 nach der Schnittlinie VI;
7 eine beispielhafte Einteilung eines ringförmig umlaufenden Übergangsradius in einen hoch beanspruchten Bereich, einen wenig beanspruchten Bereich und dazwischen liegende Zwischenbereiche eines beispielhaften Zapfens;
8 eine beispielhafte Verteilung von Schlagkräften entlang eines ringförmig umlaufenden Übergangsradius in einer ersten Ausführungsform;
9 eine beispielhafte Verteilung von Schlagkräften entlang eines ringförmig um einen Zapfen umlaufenden Übergangsradius in einer zweiten Ausführungsform;
10 eine beispielhafte Verteilung von Schlagkräften entlang eines ringförmig um einen Zapfen umlaufenden Übergangsradius in einer dritten Ausführungsform; und
11 eine beispielhafte Verteilung von Schlagkräften entlang eines ringförmig um einen Zapfen umlaufenden Übergangsradius in einer vierten Ausführungsform.

Die in 1 in einer Gesamtansicht dargestellte Vorrichtung entspricht grundsätzlich in ihrem Aufbau den Vorrichtungen nach der DE 34 38 742 C2 und EP 1 716 260 B1 mit einer oder mehreren Schlageinrichtungen 1, weshalb nachfolgend nur auf die wesentlichen Teile und auf die Unterschiede zum Stand der Technik näher eingegangen wird.
Die Vorrichtung weist ein Maschinenbett 2 und eine Antriebseinrichtung 3 auf. Die Antriebseinrichtung 3 wird dazu verwendet, eine Kurbelwelle 4 entlang einer Drehrichtung in eine Schlagposition zu bringen bzw. zu drehen.
Die Kurbelwelle 4 weist Pleuellagerzapfen 5 und Hauptlagerzapfen 6, zwischen denen jeweils Kurbelwangen 7 angeordnet sind, auf. Zwischen Pleuellagerzapfen 5 und Kurbelwangen 7 sowie zwischen Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwangen 7 bzw. allgemein zwischen Querschnittsübergängen der Kurbelwelle 4 sind Übergangsradien 8 (vgl. 3 bis 5) ausgebildet.
An der der Antriebseinrichtung 3 zugewandten Seite der Kurbelwelle 4 ist eine Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen, die eine Spannscheibe bzw. einen Befestigungsflansch 10 aufweist. Auf der der Antriebseinrichtung 3 abgewandten Seite der Kurbelwelle 4 ist eine Abstützung 11 vorzugsweise in der Art eines Reitstocks vorgesehen, die eine weitere Befestigungseinrichtung 9 aufweist, um die Kurbelwelle 4 drehbar aufzunehmen bzw. drehbar festzulegen. Optional oder ergänzend zur Abstützung 11 kann eine Lünette, die an einer rotationssymmetrischen Stelle positioniert wird, vorgesehen sein.
Die Antriebseinrichtung 3 vermag die Kurbelwelle 4 entlang einer Drehachse C in eine Drehbewegung zu versetzen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Hauptdrehachse C_KW der Kurbelwelle 4 außermittig von der Drehachse C der Antriebseinrichtung 3 positioniert ist, wie in 1 und 2 dargestellt. Hierzu können vorzugsweise Ausrichtungsmittel 17 (vgl. 2) im Bereich der Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ausrichtungsmittel 17 eine Mittelachse des jeweils zu verfestigenden Zapfens 5, 6 so verschieben, dass die Mittelachse des Zapfens 5, 6 auf der Drehachse C liegt.
Für die Antriebseinrichtung 3 kann ein Direktantrieb, vorzugsweise ohne Kupplung, vorgesehen sein. Ein Motor, vorzugsweise ein Elektromotor, der Antriebseinrichtung 3 kann somit ohne Übersetzung bzw. Getriebe mit der Befestigungseinrichtung 9 bzw. mit der Kurbelwelle 4 mechanisch gekoppelt sein.
Die nachfolgend noch beispielhaft näher beschriebenen Schlageinrichtungen 1 sind jeweils in einer Verschiebe- und Justiereinrichtung 15 justierbar gehalten, um sie an die Lage der Pleuellagerzapfen 5 und der Hauptlagerzapfen 6 und an die Länge der Kurbelwelle 4 anzupassen.
Auch die Abstützung 11 kann verschiebbar eingerichtet sein, wie durch die Doppelpfeile in 1 angedeutet.
In der 1 sind zwei Schlageinrichtungen 1 dargestellt, grundsätzlich kann aber eine beliebige Anzahl von Schlageinrichtungen 1 vorgesehen sein, beispielsweise auch nur eine einzige Schlageinrichtung 1.
Es kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine Schlageinrichtung 1 zur Schlagverfestigung der Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 ausgebildet und eingerichtet ist und eine Schlageinrichtung 1 zum Schlagverfestigen der Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen ausgebildet und eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens zwei Übergangsradien 8 unterschiedlich große Schlagkräfte F_S eingebracht werden. Die Erfinder haben erkannt, dass hierdurch Rundlauffehler vermieden bzw. ausgeglichen werden können.
In 2 ist in perspektivischer Ansicht ausschnittsweise eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens - allerdings ohne Schlageinrichtung - dargestellt. Die Vorrichtung der 2 ist dabei im Wesentlichen identisch mit der Vorrichtung der 1, weshalb nachfolgend nur auf die wesentlichen Unterschiede im Detail Bezug genommen wird.
Abermals ist eine Antriebseinrichtung 3 vorgesehen. Ferner ist eine Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen, die einen Befestigungsflansch 10 und eine daran befestigte Planscheibe mit Spannbacken zur Festlegung der Kurbelwelle 4 aufweist. Die Planscheibe mit den Spannbacken der Befestigungseinrichtung 9 ist an dem Befestigungsflansch 10 verstellbar an einem Ausrichtungsmittel 17 angeordnet, wodurch sich die Längsachse C_KW der Kurbelwelle 4 relativ zu der Drehachse C einer Antriebswelle bzw. einer Eingangswelle 13 verschieben lässt.
Die Kurbelwelle 4 der 2 weist eine von der in 1 dargestellten Ausführungsform abweichende Konfiguration auf, umfasst aber grundsätzlich ebenfalls Pleuellagerzapfen 5, Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwangen 7.
In 2 (wie auch in 1) kann an dem von der Antriebseinrichtung 3 abgewandten Ende der Kurbelwelle 4 eine weitere Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen sein, diese kann jedoch auch entfallen.
In 3 ist beispielhaft eine Schlageinrichtung 1 der 1 näher dargestellt. Die Erfindung kann grundsätzlich mit einer beliebigen Schlageinrichtung 1 umgesetzt werden. Die nachfolgend beschriebene Schlageinrichtung 1 eignet sich jedoch besonders. Sie weist einen Grundkörper 18 auf, der entsprechend dem Radius des zu bearbeitenden Kurbelwellensegments mit einer prismatischen Anlage versehen sein kann und vorzugsweise Führungen 19 aufweist, die zwei Schlagwerkzeuge 16 in deren Abstützebene führen und ihnen um eine Umlenkeinheit 20 eine entsprechende Freiheit geben, die zur Anpassung an die maßlichen Verhältnisse der Kurbelwelle 4 vorteilhaft ist. An den vorderen Enden der beiden Schlagwerkzeuge 16 ist jeweils eine Kugel als Schlagkopf 21 angeordnet. Ein Zwischenteil 22 stellt die Verbindung zwischen einem Schlagkolben 23 und der Umlenkeinheit 20, die die Schlagenergie an die Schlagwerkzeuge 16 weitergibt, her. Das Zwischenteil 22 kann gegebenenfalls auch entfallen.
Es kann im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Pleuellagerzapfen 5 angrenzende Übergangsradien 8 die gleiche Schlagkraft F_S eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Hauptlagerzapfen 6 angrenzende Übergangsradien 8 die gleiche Schlagkraft F_S eingebracht wird.
Eine in 3 dargestellte Schlageinrichtung 1 eignet sich hierfür in besonderem Maße.
Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass eine Schlageinrichtung 1 mit zwei Schlagwerkzeugen 16 derart ausgestaltet ist, dass die Schlagwerkzeuge 16 in die an denselben Zapfen 5, 6 angrenzenden Übergangsradien 8 eine jeweils unterschiedliche Schlagkraft F_S einbringen.
Zur Steigerung der Wirksamkeit des Schlages kann auf der von dem Grundkörper 18 abgewandten Seite des Zapfens 5, 6 ein Spannprisma 24 über Federn 25 mit einstellbaren Spannbolzen 26 mit Spannmuttern 27 befestigt werden. Hier sind auch andere konstruktive Lösungen möglich.
Es sei klargestellt, dass, sollte in einem Teil der Beschreibung „ein Schlagwerkzeug“ bzw. „eine Schlageinrichtung“ oder „mehrere Schlagwerkzeuge/Schlageinrichtungen“ erwähnt werden, grundsätzlich eine beliebige Anzahl an Schlagwerkzeugen/Schlageinrichtungen gemeint sein kann, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr. Die Bezugnahme auf eine Pluralform oder Einzahl ist lediglich zur besseren Lesbarkeit vorgesehen und nicht einschränkend.
Durch Anordnung mehrerer Schlageinrichtungen 1 über die Länge der zu bearbeitenden Kurbelwelle 4 können im Bedarfsfall alle zentrisch und gegebenenfalls exzentrisch verlaufenden Abschnitte der Kurbelwelle 4 gleichzeitig bearbeitet werden.
Der Schlagkolben 23 überträgt über die Umlenkeinheit 20 einen Kraftstoß auf die Schlagwerkzeuge 16, wonach die Schlagköpfe 21 der Schlagwerkzeuge 16 die Schlagkraft F_S in die Übergangsradien 8 einbringen.
Der Ausdruck „F_S“ und vergleichbare Ausdrücke in der vorliegenden Beschreibung sind nur als Platzhalter/Variablen für eine beliebige, dem Fachmann als angebracht erscheinende Schlagkraft zu verstehen. Wenn dabei in der Beschreibung auf „die Schlagkraft F_S“ Bezug genommen wird, kann es sich somit jeweils um unterschiedliche oder aber auch um identische Schlagkräfte handeln.
Aus der 4 ist eine Schlageinrichtung 1 ersichtlich, die mit nur einem Schlagwerkzeug 16 versehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schlageinrichtung 1 zur Kurbelwelle 4 vorzugsweise schräg gestellt, und zwar derart, dass das Schlagwerkzeug 16, das koaxial zur Längsachse der Schlageinrichtung 1 angeordnet ist, senkrecht auf den Bereich des zu bearbeitenden Kurbelwellensegments, vorliegend des zu bearbeitenden Übergangsradius 8, auftrifft. In diesem Fall lässt sich zwar jeweils nur ein Kurbelwellensegment bearbeiten, aber andererseits ist die konstruktive Ausgestaltung und die Kraftübertragung der Schlageinrichtung 1 hierfür besser und einfacher. Zusätzlich können Bohrungsenden mit diesem Werkzeug stehend verfestigt werden.
Besonders vorteilhaft erweist sich diese Ausgestaltung für die Anwendung an nicht symmetrischen Kurbelwellensegmenten, wie den Endbereichen und den Ölbohrungsenden der Kurbelwelle 4.
Die Ausgestaltung der in 4 dargestellten Schlageinrichtung 1 mit nur einem Schlagwerkzeug 16 eignet sich auch ganz besonders, wenn an denselben Zapfen 5, 6 angrenzende Übergangsradien 8 mit unterschiedlich großer Schlagkraft F_S schlagverfestigt werden sollen.
In 5 ist ein beispielhafter Ausschnitt einer Kurbelwelle 4 mit jeweiligen Übergangsradien 8 zwischen Pleuellagerzapfen 5 und Kurbelwangen 7 bzw. Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwangen 7 dargestellt.
Es kann im Sinne der Erfindung auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 von wenigstens zwei Hauptlagerzapfen 6, vorzugsweise in die Übergangsradien 8 aller Hauptlagerzapfen 6, die gleiche Schlagkraft F_S eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 von wenigstens zwei Pleuellagerzapfen 5, vorzugsweise in die Übergangsradien 8 aller Pleuellagerzapfen 5, die gleiche Schlagkraft F_S eingebracht wird.
Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 eines ersten Pleuellagerzapfens 5 eine erste Schlagkraft F_S und in die Übergangsradien 8 eines zweiten Pleuellagerzapfens 5 eine zweite Schlagkraft F_S eingebracht wird. Gegebenenfalls wird in die Übergangsradien 8 jedes Pleuellagerzapfens 5 eine individuelle Schlagkraft F_S eingebracht.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 eines ersten Hauptlagerzapfens 6 eine erste Schlagkraft F_S und in die Übergangsradien 8 eines zweiten Hauptlagerzapfens 6 eine zweite Schlagkraft F_S eingebracht wird. Gegebenenfalls wird in die Übergangsradien 8 jedes Hauptlagerzapfens 6 eine individuelle Schlagkraft F_S eingebracht.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Basiswert F₀ für die in die Übergangsradien 8 einzubringenden Schlagkräfte F_S anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle 4 und/oder anhand der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle 4 bestimmt wird.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Basiswert F₀ um einen Ausgleichswert F_A variiert wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren.
In 5 ist hierzu schematisch ein Kräftediagramm dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass der Schlagkraft F_S ein Basiswert F₀ zugrunde liegt, ausgehend von dem der Ausgleichswert F_A eine additive oder subtraktive Modifikation bewirkt. Der Basiswert F₀ und der Ausgleichswert F_A sind dabei derart gewählt, dass eine minimale Schlagkraft F_min, die an dem jeweiligen Übergangsradius 8 benötigt wird, nicht unterschritten wird. Vorzugsweise ist zusätzlich ein Sicherheitsspielraum vorgesehen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert F_A für mehrere (vorzugsweise für jeden) Übergangsradius 8 individuell bestimmt wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren. In 5 ist der Sachverhalt bzw. das Kräftediagramm nur beispielhaft für einen Übergangsradius 8 dargestellt. Dies ist allerdings nicht einschränkend zu verstehen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert F_A höchsten 30%, vorzugsweise höchstens 15%, besonders bevorzugt höchstens 5% des Basiswerts F₀ beträgt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert F_A höchsten 30%, jedoch mindestens 20%, höchstens 20%, jedoch mindestens 15%, höchstens 15%, jedoch mindestens 10%, oder höchstens 10%, jedoch mindestens 5%, des Basiswerts F₀ beträgt.
In einer besonderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zum Einbringen der Schlagkraft F_S in wenigstens einen der Übergangsradien 8 entlang des ringförmig (um den Pleuellagerzapfen 5 und/oder Hauptlagerzapfen 6) umlaufenden jeweiligen Übergangsradius 8 ein hoch beanspruchter Bereich B_MAX, ein wenig beanspruchter Bereich B_MIN und dazwischen liegende Zwischenbereiche B_ZW definiert werden, wonach derart schlagverfestigt wird, dass die in die Zwischenbereiche B_ZW eingebrachte Schlagkraft F_S in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich B_MAX erhöht wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schlagkraft F_S, die beim Schlagverfestigen in den hoch beanspruchten Bereich B_MAX eingebracht wird, anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle 4 und/oder der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle 4 bestimmt wird.
In Abhängigkeit des Motorenbetriebs bzw. Einsatzzwecks der Kurbelwelle 4 können die jeweils an die Zapfen 5, 6 angrenzenden Übergangsradien 8 hoch beanspruchte Bereiche B_MAX aufweisen, die sich jeweils an unterschiedlichen Positionen befinden. Eine beispielhafte Belastung der Kurbelwelle 4 ist in 5 durch einen großen, links oben abgebildeten Pfeil dargestellt. Der Pleuellagerzapfen 5 ist entlang des Pfeils über einen nicht dargestellten Kolben mit dem Motor verbunden. Bei der Seite des Pleuellagerzapfens 5, auf die der Pfeil zeigt, handelt es sich dabei um die sogenannte Druckseite. Auf der der Druckseite entgegengesetzten Seite, nämlich der Zugseite, befindet sich der sogenannte untere Totpunkt UT des Pleuellagerzapfens 5. Am unteren Totpunkt UT des Pleuellagerzapfens 5 ist die Belastung auf Biegung der jeweiligen Übergangsradien 8 erfahrungsgemäß am höchsten. In vorteilhafter Weise kann der hoch beanspruchte Bereich B_MAX an den unteren Totpunkt UT angrenzend definiert werden, vorzugsweise diesen symmetrisch umgeben.
Bei der in 5 dargestellten Kurbelwelle 4 kann ferner ein höchstbelasteter Punkt des an den Pleuellagerzapfen 5 angrenzenden Hauptlagerzapfens 6 ein Bereich sein, der der Druckseite des angrenzenden Pleuellagerzapfens 5 entspricht. Zur Vereinfachung wird dieser Bereich eines Hauptlagerzapfens 6 nachfolgend als „oberer Totpunkt“ OT bezeichnet.
Zur besseren Verdeutlichung der Positionen der Totpunkte UT, OT ist in 6 ein prinzipmäßiger Schnitt durch die Kurbelwelle 4 entlang der dargestellten Schnittlinie „VI“ der 5 gezeigt.
Dabei ist ersichtlich, dass der höchstbelastete Punkt bzw. der obere Totpunkt OT eines Übergangsradius 8 eines Hauptlagerzapfens 6 im Querschnitt der Kurbelwelle 4 auf dem Schnittpunkt des Übergangsradius 8 des Hauptlagerzapfens 6 mit der Verbindungslinie x der Mittelpunkte M_H, M_P des Hauptlagerzapfens 6 und des an den Übergangsradius 8 des Hauptlagerzapfens 6 angrenzenden Pleuellagerzapfens 5 liegt.
7 zeigt einen Schnitt durch einen beispielhaften Zapfen 5, 6, um die mögliche Verteilung der Bereiche B_MAX, B_MIN, B_ZW entlang des Umfangs des Zapfens 5, 6 darzustellen.
Vorliegend wird der höchstbelastete Punkt des Zapfens 5, 6, d. h. der untere Totpunkt UT eines Pleuellagerzapfens 5 oder der obere Totpunkt OT eines Hauptlagerzapfens 6 mit 180° bezeichnet. Ausgehend von diesem Punkt ist der hoch beanspruchte Bereich B_MAX entlang des ringförmig um die Kurbelwelle 4 umlaufenden Übergangsradius 8 definiert. Der hoch beanspruchte Bereich B_MAX kann, ausgehend von diesem Punkt vorzugsweise symmetrisch, wenigstens ± 20°, vorzugsweise wenigstens ± 30°, weiter bevorzugt wenigstens ± 40°, besonders bevorzugt wenigstens ± 50°, ganz besonders bevorzugt wenigstens ± 60°, beispielsweise wenigstens ± 70°, wenigstens ± 80° oder wenigstens ± 90° betragen.
Angrenzend an den hoch beanspruchten Bereich B_MAX sind zwei Zwischenbereiche B_ZW definiert, die den hoch beanspruchten Bereich B_MAX von dem wenig beanspruchten Bereich B_MIN trennen. Die Zwischenbereiche B_ZW können entlang des ringförmig umlaufenden Übergangsradius 8 einen beliebigen Winkelabschnitt umfassen. Selbiges gilt für den wenig beanspruchten Bereich B_MIN. Die jeweiligen Winkelbereiche können durch Berechnungen, Simulation und/oder Versuchsreihen, ggf. auch aus Messungen im Echtzeitbetrieb (des Motors), bestimmt werden.
Vorzugsweise wird die in die Zwischenbereiche B_ZW eingebrachte Schlagkraft F_S (vorzugsweise stetig) in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich B_MAX erhöht. Damit, dass die Schlagkraft F_S erhöht wird, ist gemeint, dass die Schlagkraft F_S zwischen aufeinanderfolgenden Schlägen vorzugsweise immer weiter erhöht wird.
In den 8 bis 11 sind vier beispielhafte Verläufe der Schlagkraft F_S entlang des Umfangs eines Zapfens 5, 6, beispielsweise des Zapfens 5, 6 aus 7, dargestellt.
Dabei ist in den 8, 10 und 11 die Schlagkraft F_S, die beim Schlagverfestigen in den jeweiligen hoch beanspruchten Bereich B_MAX eingebracht wird, konstant.
In allen beispielhaft dargestellten Kurven ist die in den hoch beanspruchten Bereichen B_MAX beim Schlagverfestigen eingebrachte Schlagkraft F_S größer oder zumindest gleich groß wie die jeweilige größte Schlagkraft F_S, die in die Zwischenbereiche B_ZW eingebracht wird (und natürlich jeweils größer als die Schlagkraft F_S, die in den wenig beanspruchten Bereich B_MIN eingebracht wird).
Die maximale Schlagkraft F_MAX wird somit im hoch beanspruchten Bereich B_MAX des Übergangsradius 8 eingebracht.
Ferner wird in den 8 und 11 eine beispielhafte Kräfteaufteilung gezeigt, bei der jeweils in den wenig beanspruchten Bereich B_MIN beim Schlagverfestigen keine Schlagkraft F_S eingebracht wird. In den 9 und 10 wird hingegen in dem jeweils wenig beanspruchten Bereich B_MIN beim Schlagverfestigen eine Schlagkraft F_S eingebracht, die geringer ist als die geringste Schlagkraft F_S, die in die Zwischenbereiche B_ZW eingebracht wird. Im Falle der 10 ist dabei eine Mindestschlagkraft F_min vorgesehen, die im wenig beanspruchten Bereich B_MIN konstant gehalten wird. In 9 hingegen wird die Schlagkraft F_S ausgehend von den Zwischenbereichen B_ZW auf die dem höchstbelasteten Punkt bzw. dem unteren Totpunkt UT bzw. dem oberen Totpunkt OT entgegenliegende Position stetig linear verringert bis zu einem Minimalwert, vorliegend 0.
In 8 wird die in die Zwischenbereiche B_ZW eingebrachte Schlagkraft F_S ausgehend von dem wenig beanspruchten Bereich B_MIN, in dem vorliegend beispielhaft keine Schlagverfestigung stattfindet, gleichmäßig bzw. linear auf den hoch beanspruchten Bereich B_MAX erhöht.
In 9 hingegen folgt der Verlauf der Schlagkraft F_S einer durchgängigen Rampe, die ausgehend von einem entlang des Umfangs der Kurbelwelle 4 dem höchstbelasteten Punkt bzw. dem unteren Totpunkt UT bzw. dem oberen Totpunkt OT gegenüberliegenden Punkt jeweils in Richtung des höchstbelasteten Punkts bzw. des unteren Totpunkts UT bzw. des oberen Totpunkts OT ansteigt. Der Verlauf der Schlagkraft F_S folgt dabei in den jeweiligen Bereichen B_MIN, B_ZW und B_MAX jeweils einer eigenen Rampenfunktion, die insgesamt die dargestellte Rampe ergeben.
In 10 ist ein Verlauf der Schlagkraft F_S dargestellt, der grundsätzlich dem Verlauf der Schlagkraft F_S der 8 ähnelt. In den Zwischenbereichen B_ZW ist allerdings im Gegensatz zu der in 8 dargestellten linearen bzw. rampenförmigen Veränderung der Schlagkraft F_S ein geglätteter Kurvenverlauf dargestellt.
Schließlich zeigt 11 ein Diagramm, bei dem die Schlagkräfte F_S in den Zwischenbereichen B_ZW in Abstufungen verändert werden.
Es können beliebige Variationen und Kombinationen, insbesondere (aber nicht ausschließlich) der in den 8 bis 11 dargestellten Verläufe, vorgesehen sein, wenn im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein sollte, dass die Schlagkraft beim Schlagverfestigen eines bestimmten Übergangsradius 8 über dessen ringförmigen Verlauf variiert werden soll.

Claims

Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und/oder Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4), dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens zwei Übergangsradien (8) unterschiedlich große Schlagkräfte (F_S) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei an denselben Pleuellagerzapfen (5) angrenzende Übergangsradien (8) die gleiche Schlagkraft (F_S) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei an denselben Hauptlagerzapfen (6) angrenzende Übergangsradien (8) die gleiche Schlagkraft (F_S) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Übergangsradien (8) von wenigstens zwei Hauptlagerzapfen (6), vorzugsweise in die Übergangsradien (8) aller Hauptlagerzapfen (6), die gleiche Schlagkraft (F_S) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Übergangsradien (8) von wenigstens zwei Pleuellagerzapfen (5), vorzugsweise in die Übergangsradien (8) aller Pleuellagerzapfen (5), die gleiche Schlagkraft (F_S) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Übergangsradien (8) eines ersten Pleuellagerzapfens (5) eine erste Schlagkraft (F_S) und in die Übergangsradien (8) eines zweiten Pleuellagerzapfens (5) eine zweite Schlagkraft (F_S) eingebracht wird, vorzugsweise wird in die Übergangsradien (8) jedes Pleuellagerzapfens (5) eine individuelle Schlagkraft (F_S) eingebracht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Übergangsradien (8) eines ersten Hauptlagerzapfens (6) eine erste Schlagkraft (F_S) und in die Übergangsradien (8) eines zweiten Hauptlagerzapfens (6) eine zweite Schlagkraft (F_S) eingebracht wird, vorzugsweise wird in die Übergangsradien (8) jedes Hauptlagerzapfens (6) eine individuelle Schlagkraft (F_S) eingebracht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basiswert (F₀) für die in die Übergangsradien (8) einzubringenden Schlagkräfte (F_S) anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle (4) und/oder anhand der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle (4) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswert (F₀) um einen Ausgleichswert (F_A) variiert wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle (4) auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswert (F_A) für mehrere, vorzugsweise für jeden Übergangsradius (8), individuell bestimmt wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle (4) auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswert (F_A) höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 15%, besonders bevorzugt höchstens 5%, des Basiswerts (F₀) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Schlagkraft (F_S) für wenigstens einen der Übergangsradien (8) entlang des ringförmig um die Kurbelwelle (4) umlaufenden jeweiligen Übergangsradius (8) ein hoch beanspruchter Bereich (B_MAX), ein wenig beanspruchter Bereich (B_MIN) und dazwischen liegende Zwischenbereiche (B_ZW) definiert werden, wonach derart schlagverfestigt wird, dass die in die Zwischenbereiche (B_ZW) eingebrachte Schlagkraft (F_S) in Richtung auf den hoch beanspruchten Bereich (B_MAX) erhöht wird.
Kurbelwelle (4), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.