DE102019115659A1

DE102019115659A1 - METHOD FOR HEAT TREATMENT WITH A GRADUAL TEMPERATURE PROFILE

Info

Publication number: DE102019115659A1
Application number: DE102019115659.9A
Authority: DE
Inventors: Huaxin Li; Daniel J. Wilson; Liang Wang; Garrold A. DeGrace
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-06-25
Also published as: CN111334656A; US20200199704A1; CN111334656B

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung einer Kurbelwelle für ein Fahrzeugantriebssystem oder ein anderes Werkstück, schließt das Erwärmen mindestens eines Teils der Kurbelwelle auf ein allmähliches Temperaturprofil ein. Das Temperaturprofil weist graduell niedrigere Temperaturen von der Oberfläche zum Kern der Kurbelwelle auf. Das Temperaturprofil schließt eine Mittelpunktstemperatur in einem Mittelpunkt zwischen der Oberfläche und einem innersten Teil des Kerns ein, wobei die Mittelpunktstemperatur mindestens 50 % der Oberflächentemperatur beträgt, gemessen in der Celsius-Skala. Die Oberflächentemperatur liegt innerhalb eines Umwandlungsbereichs des Kurbelwellenmaterials. Das Verfahren schließt ferner das Abschrecken der Oberfläche des Kurbelwellenzapfens ein. Das Material der Kurbelwelle ist vorzugsweise eine Kohlenstoffstahllegierung mit einem DI von weniger als 1,7 und mehr als 0,3 Gew.-% Kohlenstoff.

A method of heat treating a crankshaft for a vehicle drive system or other workpiece includes heating at least a portion of the crankshaft to a gradual temperature profile. The temperature profile has gradually lower temperatures from the surface to the core of the crankshaft. The temperature profile includes a midpoint temperature at a midpoint between the surface and an innermost part of the core, the midpoint temperature being at least 50% of the surface temperature as measured on the Celsius scale. The surface temperature is within a transformation range of the crankshaft material. The method also includes quenching the surface of the crankpin. The material of the crankshaft is preferably a carbon steel alloy with a DI of less than 1.7 and more than 0.3% by weight of carbon.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Kurbelwelle für ein Fahrzeugantriebssystem.The present disclosure relates to a system and method for heat treating a crankshaft for a vehicle drive system.

EINLEITUNGINTRODUCTION

Die Kurbelwelle eines Motors wandelt die hin- und hergehende lineare Bewegung eines Kolbens in eine Drehbewegung um eine Längsachse um, um ein Drehmoment zum Antreiben eines Fahrzeugs bereitzustellen, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, einen Zug, ein Schiff, ein Flugzeug oder einen Personenkraftwagen. Kurbelwellen sind ein wesentlicher Teil eines Motors und stellen einen Ausgangspunkt der Motorkonstruktion dar.The crankshaft of an engine converts the reciprocating linear motion of a piston to rotary motion about a longitudinal axis to provide torque to propel a vehicle, such as, but not limited to, a train, ship, plane, or automobile . Crankshafts are an essential part of an engine and represent a starting point for engine design.

Die Kurbelwelle schließt mindestens einen gegenüber der Längsachse versetzten Kurbelwellen-Bolzenlagerzapfen ein, an dem ein Hubkolben über eine Pleuelstange befestigt ist. Die vom Kolben auf die Kurbelwelle ausgeübte Kraft durch die dazwischenliegende versetzte Verbindung erzeugt ein Drehmoment in der Kurbelwelle, das die Kurbelwelle um die Längsachse, die die Drehachse ist, dreht. Die Kurbelwelle schließt ferner mindestens einen Hauptlagerzapfen ein, der konzentrisch um die Längsachse angeordnet ist. Die Kurbelwelle ist an einem Motorblock an den Hauptlagerzapfen befestigt. Ein Lager ist um den Hauptlagerzapfen angeordnet, zwischen der Kurbelwelle und dem Motorblock.The crankshaft includes at least one crankshaft pin bearing journal which is offset with respect to the longitudinal axis and to which a reciprocating piston is fastened via a connecting rod. The force exerted by the piston on the crankshaft through the interposed offset connection creates a torque in the crankshaft that rotates the crankshaft about the longitudinal axis, which is the axis of rotation. The crankshaft also includes at least one main bearing journal, which is arranged concentrically around the longitudinal axis. The crankshaft is attached to the main bearing journal on an engine block. A bearing is located around the main journal, between the crankshaft and the engine block.

Die Oberflächen des Kurbelwellenbolzens und des Hauptlagerzapfens sind in der Regel gehärtet, um mit der Last und dem Verschleiß umgehen zu können. Ein Ansatz zum Härten besteht darin, die Kurbelwellenzapfenflächen induktiv zu erwärmen und dann abzuschrecken, um sie zu härten. Beim Induktionserwärmen/Härten wird mit hochfrequentem Wechselstrom ein Wirbelstrom in der Oberflächenzone des zu härtenden Werkstücks induziert. Diese Wirbelströme führen zu einer jouleschen Erwärmung, die eine schnelle Erwärmung des Werkstücks auf eine bestimmte Temperatur bewirkt. Die Härtung erfolgt dann durch schnelles Abschrecken.The surfaces of the crankshaft pin and the main journal are usually hardened in order to be able to handle the load and wear. One approach to hardening is to inductively heat the crankshaft journal surfaces and then quench them to harden them. During induction heating / hardening, an eddy current is induced in the surface zone of the workpiece to be hardened using high-frequency alternating current. These eddy currents lead to Joule heating, which causes the workpiece to heat up quickly to a certain temperature. The hardening then takes place by rapid quenching.

Das Induktionshärten von Kurbelwellen hat in der Vergangenheit Probleme hervorgerufen. Ein Problem ist, dass das Induktionshärten zwar Härte und Festigkeit erhöht, das mit dem Phasenwechsel durch das Härten einhergehende volumetrische Wachstum jedoch Eigenspannungen erzeugt. Wenn die Komponenten dieser Eigenspannungen mit den Arbeitsspannungen kombiniert werden, stellen sie ein nachteiliges Risiko dar, vorzeitiges Ermüdungsversagen zu fördern, das in Oberflächennähe zwischen der gehärteten Oberflächenschicht und dem ungehärteten Kern verursacht wird. Die Eigenspannungen resultieren aus Temperaturschwankungen beim Erwärmen und Kühlen des Objekts und der volumetrischen Änderung bei der Härtung aufgrund der spezifischen Volumendifferenz zwischen der ursprünglichen und der neu gebildeten Phase im Stahl. Wenn dieses oberflächennahe Material im Wesentlichen beansprucht wird, kann das Material Risse entwickeln, die sich ausbreiten und zu einem Ausfall der Kurbelwelle führen können.Induction hardening of crankshafts has caused problems in the past. One problem is that although induction hardening increases hardness and strength, the volumetric growth associated with the phase change due to the hardening creates residual stresses. When the components of these residual stresses are combined with the working stresses, they pose a disadvantageous risk of promoting premature fatigue failure, which is caused near the surface between the hardened surface layer and the uncured core. The residual stresses result from temperature fluctuations during heating and cooling of the object and the volumetric change during hardening due to the specific volume difference between the original and the newly formed phase in the steel. If this near-surface material is essentially stressed, the material can develop cracks that spread and can lead to failure of the crankshaft.

Herkömmliche Versuche, die durch das Induktionshärten verursachten Eigenzugspannungen zu mildern oder zu reduzieren, schlossen das Vorwärmen und/oder Nachhärten (z. B. Hochtemperatur) der gesamten Kurbelwelle in einem Ofen ein. Jedoch weisen diese herkömmlichen Verfahren eine Reihe von Herausforderungen auf, einschließlich Kosten, Zeit, und nur geringfügig wirksame Ergebnisse.Conventional attempts to alleviate or reduce the inherent tensile stresses caused by induction hardening included preheating and / or post-hardening (e.g. high temperature) the entire crankshaft in an oven. However, these conventional methods have a number of challenges, including cost, time, and only marginally effective results.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren des Härtens bereit, das eine Induktionserwärmung verwendet, um innerhalb des Werkstücks ein graduelles Temperaturprofil vor dem Abschrecken zu erzeugen. Dieses graduelle Profil führt zu gleichmäßigeren Zugspannungen im gesamten Werkstück, anstatt die Zugspannungen nah unter der Oberfläche zwischen der gehärteten Oberfläche und dem ungehärteten Kern zu konzentrieren.The present disclosure provides a method of hardening that uses induction heating to create a gradual temperature profile within the workpiece prior to quenching. This gradual profile results in more uniform tensile stresses throughout the workpiece, rather than concentrating the tensile stresses close below the surface between the hardened surface and the uncured core.

In einer Form, die kombiniert oder getrennt von anderen hierin offenbarten Formen sein kann, wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Kurbelwelle für ein Fahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Die Kurbelwelle ist vorzugsweise aus einer Kurbelwellen-Stahllegierung gebildet. Das Verfahren schließt das Erwärmen mindestens eines Teils der Kurbelwelle auf ein Temperaturprofil, das eine Oberflächentemperatur an einer Oberfläche der Kurbelwelle aufweist, ein. Das Temperaturprofil der Kurbelwelle weist graduell niedrigere Temperaturen von der Oberfläche zu einem Kern der Kurbelwelle auf. Das Temperaturprofil schließt eine Mittelpunktstemperatur an einem Mittelpunkt zwischen der Oberfläche und einem innersten Teil des Kerns ein. Die Mittelpunktstemperatur beträgt mindestens 50 % der Oberflächentemperatur, gemessen in der Celsius-Skala. Die Oberflächentemperatur liegt innerhalb eines Umwandlungsbereichs der Kurbelwellen-Stahllegierung. Das Verfahren schließt ferner das Abschrecken der Oberfläche der Kurbelwelle ein.In one form, which may be combined or separate from other forms disclosed herein, a method of heat treating a crankshaft for a vehicle drive system is provided. The crankshaft is preferably formed from a crankshaft steel alloy. The method includes heating at least a portion of the crankshaft to a temperature profile that has a surface temperature on a surface of the crankshaft. The temperature profile of the crankshaft is gradually lower Temperatures from the surface to a core of the crankshaft. The temperature profile includes a midpoint temperature at a midpoint between the surface and an innermost part of the core. The center temperature is at least 50% of the surface temperature, measured on the Celsius scale. The surface temperature is within a transformation range of the crankshaft steel alloy. The method also includes quenching the surface of the crankshaft.

In einer weiteren Form, die kombiniert mit oder getrennt von den anderen hierin offenbarten Formen sein kann, wird ein Verfahren zum Ausformen einer Kurbelwelle für ein Fahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Ausformen der Kurbelwelle ein, vorzugsweise aus einer Kurbelwellen-Stahllegierung, und das Ausformen einer runden Lagerzapfenfläche um die Kurbelwelle herum. Das Verfahren schließt ferner das Anlegen einer Reihe von induktiven Erwärmungsimpulsen an die Kurbelwelle ein, bis die Kurbelwelle ein graduelles Temperaturprofil aufweist, das sich normalerweise von der runden Lagerzapfenfläche bis zu einem innersten Teil des Kerns der Kurbelwelle erstreckt. Das graduelle Temperaturprofil schließt eine Oberflächentemperatur an der runden Lagerzapfenfläche ein, wobei die Oberflächentemperatur innerhalb eines Umwandlungsbereichs der Kurbelwellen-Stahllegierung liegt. Das graduelle Temperaturprofil schließt zudem eine Mittelpunktstemperatur an einem Mittelpunkt zwischen der runden Lagerzapfenfläche und dem innersten Teil des Kerns ein. Die Mittelpunktstemperatur beträgt mindestens 50 % der Oberflächentemperatur. Das Verfahren schließt das Abschrecken der runden Lagerzapfenfläche auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur ein, um die runde Lagerfläche zu härten.In another form, which may be combined with or separate from the other forms disclosed herein, a method of shaping a crankshaft for a vehicle drive system is provided. The method includes forming the crankshaft, preferably from a crankshaft steel alloy, and forming a round journal surface around the crankshaft. The method also includes applying a series of inductive heating pulses to the crankshaft until the crankshaft has a gradual temperature profile that normally extends from the round journal surface to an innermost part of the core of the crankshaft. The gradual temperature profile includes a surface temperature on the round journal surface, the surface temperature being within a conversion range of the crankshaft steel alloy. The gradual temperature profile also includes a midpoint temperature at a midpoint between the round journal surface and the innermost part of the core. The center temperature is at least 50% of the surface temperature. The method includes quenching the circular journal surface to a temperature below the transition temperature to harden the circular bearing surface.

In noch einer weiteren Form, die kombiniert mit oder getrennt von den anderen hierin offenbarten Formen sein kann, wird ein Verfahren zur Induktionshärtung eines Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Bereitstellen eines Werkstücks ein, das aus einem Werkstückmaterial ausgeformt ist und eine Außenfläche aufweist. Das Verfahren schließt ferner das Anlegen einer Reihe von induktiven Erwärmungsimpulsen auf das Werkstück ein, bis das Werkstück ein graduelles Temperaturprofil aufweist, das sich normalerweise von der Außenfläche bis zu einem inneren Teil des Werkstücks erstreckt. Das graduelle Temperaturprofil schließt eine Oberflächentemperatur an der Außenfläche ein, wobei die Oberflächentemperatur innerhalb eines Umwandlungsbereichs des Werkstückmaterials liegt. Das graduelle Temperaturprofil schließt eine Mittelpunktstemperatur an einem Mittelpunkt zwischen der Außenfläche und dem inneren Teil ein. Die Mittelpunktstemperatur beträgt mindestens 50 % der Oberflächentemperatur. Das Verfahren schließt ferner das Abschrecken der Außenfläche auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur ein, um die Außenfläche zu härten.In yet another form, which may be combined with or separate from the other forms disclosed herein, a method for induction hardening a workpiece is provided. The method includes providing a workpiece that is formed from a workpiece material and has an outer surface. The method further includes applying a series of inductive heating pulses to the workpiece until the workpiece has a gradual temperature profile that normally extends from the outer surface to an inner part of the workpiece. The gradual temperature profile includes a surface temperature on the outer surface, the surface temperature being within a transformation range of the workpiece material. The gradual temperature profile includes a midpoint temperature at a midpoint between the outer surface and the inner part. The center temperature is at least 50% of the surface temperature. The method further includes quenching the outer surface to a temperature below the transition temperature to harden the outer surface.

Es können zusätzliche Merkmale bereitgestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die folgenden: wobei das Erwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle eine Induktionserwärmung des Abschnitts der Kurbelwelle einschließt; wobei das Temperaturprofil eine 25. Perzentiltemperatur bei einem 25. Perzentilpunkt einschließt, der auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt und der Oberfläche liegt, wobei die 25. Perzentiltemperatur innerhalb von 10 % der Oberflächentemperatur liegt; wobei das Temperaturprofil eine 75. Perzentiltemperatur bei einem 75. Perzentilpunkt einschließt, der auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt und dem innersten Teil des Kerns liegt, wobei die 75. Perzentiltemperatur mindestens 50 % der Oberflächentemperatur beträgt; wobei die Mittelpunktstemperatur mindestens 70 % der Oberflächentemperatur beträgt; wobei die Mittelpunktstemperatur im Bereich von 70 % bis 80 % der Oberflächentemperatur liegt, wobei die 75. Perzentiltemperatur im Bereich von 60 % bis 70 % der Oberflächentemperatur liegt, wobei die Kurbelwellenoberfläche auf einer runden Lagerzapfenfläche der Kurbelwelle angeordnet ist und sich das Temperaturprofil entlang eines Radius der Lagerzapfenfläche bis zum innersten Teil des Kerns der Kurbelwelle erstreckt; Bereitstellen des Kurbelwellenmaterials als Stahl mit einem idealen kritischen Durchmesser (DI) kleiner als 1,70; wobei der Stahl ein Kohlenstoffstahl mit mindestens 0,3 Gew.-% Kohlenstoff ist, wobei das Erwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle das Anlegen einer Vielzahl von induktiven Feldimpulsen an die Kurbelwelle einschließt; wobei das Erwärmen der Kurbelwelle das Anlegen eines ersten induktiven Impulses mit einer Intensität im Bereich von 2,0 bis 2,5 J/C*mm², das Anlegen eines zweiten induktiven Impulses mit einer Intensität im Bereich von 2,0 bis 2,5 J/C*mm², das Anlegen eines dritten induktiven Impulses mit einer Intensität im Bereich von 2,0 bis 2,5 J/C*mm² einschließt, und ein Unterbrechen zwischen dem Anlegen jedes der ersten, zweiten und dritten induktiven Impulse; Anlegen des ersten induktiven Impulses für eine erste Periode; Anlegen des zweiten induktiven Impulses für eine zweite Periode; Anlegen des dritten induktiven Impulses für eine dritte Periode; wobei jede der ersten, zweiten und dritten Perioden im Bereich von 8 bis 12 Sekunden liegt; wobei das induktive Erwärmen der Kurbelwelle das Anlegen eines Wechselstroms an einen gewickelten Leiter umfasst; und wobei das Unterbrechen das Unterbrechen für eine Pausenzeit zwischen 1 und 3 Sekunden zwischen dem Anlegen jedes der ersten, zweiten und dritten induktiven Impulse einschließt.Additional features may be provided, including but not limited to the following: wherein heating the portion of the crankshaft includes induction heating the portion of the crankshaft; wherein the temperature profile includes a 25th percentile temperature at a 25th percentile point midway between the center and the surface, the 25th percentile temperature being within 10% of the surface temperature; the temperature profile includes a 75th percentile temperature at a 75th percentile point midway between the center and the innermost part of the core, the 75th percentile temperature being at least 50% of the surface temperature; the center temperature being at least 70% of the surface temperature; the center temperature is in the range of 70% to 80% of the surface temperature, the 75th percentile temperature is in the range of 60% to 70% of the surface temperature, the crankshaft surface is arranged on a round journal surface of the crankshaft and the temperature profile is along a radius the journal surface extends to the innermost part of the core of the crankshaft; Providing the crankshaft material as steel with an ideal critical diameter (DI) less than 1.70; the steel being a carbon steel having at least 0.3% by weight carbon, heating the portion of the crankshaft including applying a plurality of inductive field pulses to the crankshaft; wherein the heating of the crankshaft, the application of a first inductive pulse with an intensity in the range from 2.0 to 2.5 J / C * mm ² , the application of a second inductive pulse with an intensity in the range from 2.0 to 2.5 J / C * mm ² includes applying a third inductive pulse having an intensity in the range of 2.0 to 2.5 J / C * mm ² , and interrupting the application of each of the first, second and third inductive pulses; Applying the first inductive pulse for a first period; Applying the second inductive pulse for a second period; Applying the third inductive pulse for a third period; wherein each of the first, second and third periods is in the range of 8 to 12 seconds; wherein inductively heating the crankshaft comprises applying an alternating current to a wound conductor; and wherein the interrupt includes interrupting for a pause time between 1 and 3 seconds between application of each of the first, second and third inductive pulses.

Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachstehend bereitgestellten ausführlichen Beschreibung. Es versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung gedacht sind und den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken sollen. Further areas of applicability of the present disclosure will become apparent from the detailed description provided hereinafter. It is to be understood that the detailed description and specific examples are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the disclosure.

FigurenlisteFigure list

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine fragmentarische Seitenansicht eines Abschnitts einer Kurbelwelle mit einer Induktionsheizspule, die um eine äußere Lagerzapfenfläche herum angeordnet ist, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine grafische Darstellung, die ein beispielhaftes Temperaturprofil veranschaulicht, das in einem Verfahren zur Induktionshärtung von Kurbelwellenzapfen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
3 ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres beispielhaftes Temperaturprofil veranschaulicht, das in einem Verfahren zur Induktionshärtung von Kurbelwellenzapfen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung verwendet wird; und
4 ist eine grafische Darstellung, die die Martensitbildung als Funktion der Tiefe während eines Induktionshärtungsverfahrens für Kurbelwellenzapfen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

The drawings described herein are for illustration purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way.

1 FIG. 14 is a fragmentary side view of a portion of a crankshaft with an induction heating coil disposed around an outer journal surface in accordance with the principles of the present disclosure;
2nd FIG. 12 is a graph illustrating an exemplary temperature profile used in a crankshaft journal induction hardening method in accordance with the principles of the present disclosure;
3rd FIG. 12 is a graph illustrating another exemplary temperature profile used in a method of induction hardening crankshaft journals in accordance with the principles of the present disclosure; and
4th FIG. 12 is a graph illustrating martensite formation as a function of depth during an induction hardening process for crankshaft journals in accordance with the principles of the present disclosure.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Es wird nun im Detail auf mehrere Beispiele der Offenbarung Bezug genommen, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Wann immer möglich, werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile oder Schritte zu bezeichnen. Die Zeichnungen sind in vereinfachter Form und nicht maßstabsgetreu. Lediglich aus Gründen der Geeignetheit und Übersichtlichkeit können Richtungsbegriffe wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, unter, unten, rückseitig, vorn, innen und außen in Bezug auf die Zeichnungen verwendet werden. Diese und ähnliche Richtungsbegriffe sind nicht so auszulegen, dass sie den Schutzumfang der Offenbarung in irgendeiner Weise einschränken.Reference will now be made in detail to several examples of the disclosure, which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same or similar reference numbers will be used in the drawings and the description to refer to the same or like parts or steps. The drawings are in simplified form and are not to scale. Directional terms such as top, bottom, left, right, up, over, under, below, back, front, inside and outside can be used with reference to the drawings only for reasons of suitability and clarity. These and similar directional terms are not to be construed to limit the scope of the disclosure in any way.

Jetzt bezugnehmend auf die Zeichnungen, wobei gleiche Referenznummern gleichen oder ähnlichen Komponenten überall in den mehreren Figuren entsprechen, ist 1 eine fragmentarische Seitenerhöhung eines Abschnitts einer Kurbelwelle 100 mit einer Induktionsheizspule 102, die um eine Außenfläche 104 eines Bolzenzapfens 108 der Kurbelwelle 100 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist die Außenfläche 104 des Bolzenzapfens 108 der Kurbelwelle 100 eine runde Lagerzapfenfläche der Kurbelwelle 100. Die Kurbelwelle 100 schließt ein Paar Gegengewichte 106 ein, die über den Bolzenzapfen 108 verbunden sind. Die Außenfläche 104 des Bolzenzapfens 108 geht über abgerundete Ecken oder Ausrundungen 110 in die Gegengewichte 106 über. Während die exemplarische Kurbelwelle 100 von 1 einen einzelnen Bolzenzapfen 108 einschließt, ist zu beachten, dass eine Kurbelwelle eine beliebige Anzahl von zusätzlichen Bolzenlagerzapfen, Hauptlagerzapfen und Gegengewichten beinhalten kann, die für den jeweiligen Motor, für den sie ausgelegt ist, erforderlich sind, ohne Einschränkung.Referring now to the drawings, like reference numbers correspond to same or similar components throughout the multiple figures 1 a fragmentary side elevation of a portion of a crankshaft 100 with an induction heating coil 102 that around an outer surface 104 a stud 108 the crankshaft 100 is arranged. In this example the outside surface is 104 of the pin 108 the crankshaft 100 a round journal surface of the crankshaft 100 . The crankshaft 100 closes a pair of counterweights 106 one that over the stud pin 108 are connected. The outside surface 104 of the pin 108 goes over rounded corners or fillets 110 into the counterweights 106 over. During the exemplary crankshaft 100 from 1 a single pin 108 it should be understood that a crankshaft may include any number of additional pin journals, main journals and counterweights that are required for the particular engine for which it is designed, without limitation.

Gemäß einem beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung wird die Außenfläche 104 des Bolzenzapfens 108 durch die Induktionsheizspule 102 erwärmt, um letztendlich die Oberfläche 104 zu härten. Die Induktionsheizspule 102 kann beliebig konfiguriert sein. Die Induktionsheizspule 102 kann von einer geeigneten Quelle von hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden, der bewirkt, dass ein Wechselstrom hoher Dichte durch die Kurbelwelle 100 in den Bolzenzapfen 108 fließt, der wiederum Wärme innerhalb des Bolzenzapfens 108 erzeugt.According to an exemplary aspect of the present disclosure, the outer surface 104 of the pin 108 through the induction heating coil 102 heated to ultimately the surface 104 to harden. The induction heating coil 102 can be configured as desired. The induction heating coil 102 can be powered by a suitable source of high frequency alternating current that causes high density alternating current to flow through the crankshaft 100 in the stud 108 flows, which in turn heat within the stud 108 generated.

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Oberfläche 104 des Bolzenzapfens 108 bereit, das auf jede Oberfläche der Kurbelwelle 100 angewendet werden könnte, um Spannungen zu reduzieren, die andernfalls durch Induktionshärten verursacht werden können. In einem beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung wird eine Induktionsheizung an der Kurbelwelle 100 durchgeführt, um ein Temperaturprofil bereitzustellen, das sich von der Oberfläche 104 nach innen erstreckt und sich allmählich verringert.The present disclosure provides a method of heat treating the surface 104 of the pin 108 ready that on any surface of the crankshaft 100 could be used to reduce stresses that might otherwise be caused by induction hardening. In an exemplary aspect of the present disclosure, an induction heater on the crankshaft 100 performed to provide a temperature profile that extends from the surface 104 extends inward and gradually diminishes.

Bezug nehmend auf 2 veranschaulicht eine grafische Darstellung 200 ein exemplarisches Induktionserwärmungsprofil 202 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Referring to 2nd illustrates a graphical representation 200 an exemplary induction heating profile 202 according to the present disclosure.

Die horizontale Achse 204 der grafischen Darstellung 200 entspricht der Tiefe in Millimetern von der Oberfläche 104, während die vertikale Achse 206 der Materialtemperatur in Grad Celsius entspricht. In dem in der grafischen Darstellung 200 veranschaulichten Beispiel erreicht die Oberflächentemperatur S der Oberfläche 104 etwa 920 Grad Celsius, was sich in einem Transformationsbereich der Stahllegierung der Kurbelwelle 100 befindet. Mit anderen Worten, die Stahllegierung an der Oberfläche 104 wird beim Erwärmen auf die Oberflächentemperatur S austenitisiert.The horizontal axis 204 the graphical representation 200 corresponds to the depth in millimeters from the surface 104 while the vertical axis 206 corresponds to the material temperature in degrees Celsius. In the in the graphical representation 200 illustrated example reaches the surface temperature S the surface 104 about 920 degrees Celsius, which is a transformation area of the steel alloy of the crankshaft 100 located. In other words, the steel alloy on the surface 104 is when heating to the surface temperature S austenitized.

Das Temperaturprofil 202 schließt graduell niedrigere Temperaturen von der äußeren Kurbelwellenoberfläche 104 bei 0 mm entlang der Achse 204 bis zu einem innersten Teil 112 des Kerns der Kurbelwelle 100 ein. Das Temperaturprofil 202 erstreckt sich normalerweise entlang eines Radius der Lagerzapfenfläche 104 bis zum innersten Teil 112 des Bolzenzapfens 108 der Kurbelwelle 100.The temperature profile 202 gradually closes lower temperatures from the outer crankshaft surface 104 at 0 mm along the axis 204 to an innermost part 112 the core of the crankshaft 100 a. The temperature profile 202 normally extends along a radius of the journal surface 104 to the innermost part 112 of the pin 108 the crankshaft 100 .

In diesem Beispiel ist die Kurbelwelle 100 massiv und der innerste Teil 112 des Kerns der Kurbelwelle 100 befindet sich entlang der Längsachse L (die auch die Drehachse der Kurbelwelle 100 ist). In diesem Fall befindet sich der innerste Teil 112 des Vollkerns 25 mm von der Oberfläche 104 entlang der Längsachse L entfernt. In anderen Beispielen könnte die Kurbelwelle 100 hohl sein, und in diesem Fall könnte der innerste Teil 112 des Kerns auf einer Innenfläche der Kurbelwelle 100 liegen, die von deren Drehachse versetzt ist.In this example is the crankshaft 100 massive and the innermost part 112 the core of the crankshaft 100 is along the long axis L (which is also the axis of rotation of the crankshaft 100 is). In this case there is the innermost part 112 of the solid core 25 mm from the surface 104 along the longitudinal axis L away. In other examples, the crankshaft could 100 be hollow, and in this case the innermost part could be 112 of the core on an inner surface of the crankshaft 100 lie, which is offset from the axis of rotation.

Das Temperaturprofil 202 schließt eine Mittelpunktstemperatur M an einem Mittelpunkt 208 zwischen der äußeren Kurbelwellenoberfläche 104 und dem innersten Teil 112 des Kerns ein. Das Temperaturprofil 202 weist graduell niedrigere Temperaturen auf, die von der Oberfläche 104 bis zum innersten Teil 112 des Kerns reichen. Da die Änderungen im Profil 202 entlang des Profils 202 graduell erfolgen, beträgt die Mittelpunktstemperatur M mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S.The temperature profile 202 closes a midpoint temperature M at a midpoint 208 between the outer crankshaft surface 104 and the innermost part 112 of the core. The temperature profile 202 has gradually lower temperatures from the surface 104 to the innermost part 112 of the core are enough. Because the changes in profile 202 along the profile 202 gradual, the midpoint temperature is M at least 50% of the surface temperature S .

Wie hierin verwendet, werden die Prozentsätze der Temperaturen unter Bezugnahme auf die Celsius-Skala gemessen. Dementsprechend beträgt beispielsweise die Mittelpunktstemperatur M mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S, gemessen mit der Celsius-Temperaturskala.As used herein, the percentages of temperatures are measured with reference to the Celsius scale. Accordingly, the midpoint temperature is, for example M at least 50% of the surface temperature S , measured on the Celsius temperature scale.

Bezug nehmend auf 2 sind Datenpunkte, die den Punkten der Temperaturprofilkurve 202 entsprechen, in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1. Temperaturprofil 202 als Funktion des Abstands von der Oberfläche 104. Abstand von der Oberfläche 104 (mm) Temperatur (Grad Celsius) Perzentil von Oberfläche 104 0 920 0 0,25 920 1 0,5 920 2 0,75 920 3 1 920 4 1,25 919 5 1,5 918 6 1,75 917 7 2 916 8 2,25 914 9 2,5 912 10 2,75 910 11 3 908 12 3,2143 905 12,9 3,4286 903 13,7 3,6429 901 14,6 3,8571 898 15,4 4,0714 895 16,3 4,2857 892 17,1 4,5 889 18 4,7143 886 18,9 4,9286 882 19,7 5,1429 879 20,6 5,3571 875 21,4 5,5714 871 22,3 5,7857 867 23,1 6 863 24 6,25 858 25 6,4975 853 26 7,4986 831 30 8,4987 808 34 11,5406 732 46,2 12,5 712 50 17,8031 605 71,2 18,75 593 75 21,4419 558 85,8 24,54534 530 98,2 25 530 100 Referring to 2nd are data points that correspond to the points of the temperature profile curve 202 correspond, shown in the following Table 1. Table 1. Temperature profile 202 as a function of distance from surface 104. Distance from the surface 104 (mm) Temperature (degrees Celsius) Percentile from surface 104 0 920 0 0.25 920 1 0.5 920 2nd 0.75 920 3rd 1 920 4th 1.25 919 5 1.5 918 6 1.75 917 7 2nd 916 8th 2.25 914 9 2.5 912 10 2.75 910 11 3rd 908 12th 3.2143 905 12.9 3.4286 903 13.7 3.6429 901 14.6 3.8571 898 15.4 4.0714 895 16.3 4.2857 892 17.1 4.5 889 18th 4.7143 886 18.9 4.9286 882 19.7 5.1429 879 20.6 5.3571 875 21.4 5.5714 871 22.3 5,7857 867 23.1 6 863 24th 6.25 858 25th 6.4975 853 26 7.4986 831 30th 8.4987 808 34 11.5406 732 46.2 12.5 712 50 17.8031 605 71.2 18.75 593 75 21.4419 558 85.8 24.54534 530 98.2 25th 530 100

Tabelle 1 zeigt Datenpunkte für das Temperaturprofil 202 als Funktion des Abstands von der Oberfläche 104 in Millimetern. Die dritte Spalte zeigt ferner das Perzentil der Tiefe, entlang der jeder Temperatur- und Tiefendatenpunkt fällt. So hat beispielsweise das Temperaturprofil 202 bei 0,25 mm von der Oberfläche eine Temperatur von 920 Grad Celsius, und das ist 1 Perzentil entfernt von der Oberfläche 104 zum innersten Teil 112 des Kerns (der sich in diesem Beispiel entlang der Längsachse L der Kurbelwelle 100 befindet).Table 1 shows data points for the temperature profile 202 as a function of the distance from the surface 104 in millimeters. The third column also shows the percentile of depth along which each temperature and depth data point falls. For example, the temperature profile 202 at 0.25 mm from the surface a temperature of 920 degrees Celsius, and that is 1 percentile away from the surface 104 to the innermost part 112 the core (which in this example is along the longitudinal axis L the crankshaft 100 located).

Wie vorstehend erläutert, beträgt die Mittelpunktstemperatur M mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S. Der Mittelpunkt 208 befindet sich beim 50. Perzentil der Tiefe oder auf halbem Weg zwischen der Oberfläche 104 und dem innersten Teil 112 des Kerns. In diesem speziellen Beispiel beträgt die Mittelpunktstemperatur M 712 Grad Celsius, während die Oberflächentemperatur S 920 Grad Celsius beträgt. Daher ist in diesem Beispiel die Mittelpunktstemperatur M größer als 70 % der Oberflächentemperatur S; und insbesondere beträgt die Mittelpunktstemperatur ca. 77 % der Oberflächentemperatur S. Es ist jedoch zu verstehen, dass das Temperaturprofil 202 einige Abweichungen aufweisen kann, ohne über das Wesentliche und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung hinauszugehen. So kann beispielsweise in einigen Fällen die Mittelpunktstemperatur M im Bereich von 70 % bis 80 % der Oberflächentemperatur S liegen. Ebenso können die anderen Temperaturen in Tabelle 1 beispielsweise um bis zu 10 % und in einigen Fällen sogar um bis zu 30 % variieren. So können beispielsweise für die Kurbelwelle 100 oder ein anderes Werkstück unterschiedliche Materialien verwendet werden, wodurch das Temperaturprofil vom exakten Temperaturprofil 202 in 2 und in Tabelle 1 abweicht.As explained above, the midpoint temperature is M at least 50% of the surface temperature S . The middle-point 208 is at the 50th percentile of the depth or halfway between the surface 104 and the innermost part 112 of the core. In this particular example, the midpoint temperature is M 712 degrees Celsius while the surface temperature S Is 920 degrees Celsius. Therefore in this example is the midpoint temperature M greater than 70% of the surface temperature S ; and in particular the center temperature is approximately 77% of the surface temperature S . However, it is understood that the temperature profile 202 may have some variations without going beyond the essence and scope of the present disclosure. For example, in some cases the midpoint temperature M in the range of 70% to 80% of the surface temperature S lie. Likewise, the other temperatures in Table 1 can vary, for example, by up to 10% and in some cases even by up to 30%. For example, for the crankshaft 100 or another workpiece different materials are used, which makes the temperature profile from the exact temperature profile 202 in 2nd and deviates in Table 1.

Wie aus der grafischen Darstellung 200 und aus Tabelle 1 ersichtlich ist, schließt das Temperaturprofil 202 eine 25. Perzentiltemperatur T₂₅ bei einem 25. Perzentilpunkt 210 ein, die auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt 208 und der Außenfläche 104 liegt. In diesem Fall liegt die 25. Perzentiltemperatur T₂₅ innerhalb von 10 % der Oberflächentemperatur S. Insbesondere in diesem Fall ist die 25. Perzentiltemperatur T₂₅ 858 Grad Celsius. Die Oberflächentemperatur S beträgt 920 Grad Celsius, und somit ist die 25. Perzentiltemperatur T₂₅ höher als 93 % der Oberflächentemperatur S, aber geringer als 94 %.As from the graphic representation 200 and as can be seen from Table 1, the temperature profile closes 202 a 25th percentile temperature M ₂₅ at a 25th percentile point 210 one that's halfway between the midpoint 208 and the outside surface 104 lies. In this case the 25th percentile temperature is M ₂₅ within 10% of the surface temperature S . Especially in this case the 25th percentile temperature is M ₂₅ 858 degrees Celsius. The surface temperature S is 920 degrees Celsius, and thus is the 25th percentile temperature M ₂₅ higher than 93% of the surface temperature S but less than 94%.

Wie des Weiteren aus der grafischen Darstellung 200 und aus Tabelle 1 ersichtlich ist, schließt das Temperaturprofil 202 eine 75. Perzentiltemperatur T₇₅ bei einem 75. Perzentilpunkt 212 ein, die auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt 208 und dem innersten Teil 112 des Kerns liegt. In diesem Fall beträgt die 75. Perzentiltemperatur T₇₅ mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S. Insbesondere in diesem Fall ist die 75. Perzentiltemperatur T₇₅ 593 Grad Celsius. Die Oberflächentemperatur S beträgt 920 Grad Celsius, und somit liegt die 75. Perzentiltemperatur T₇₅ zwischen 60 % und 70 % der Oberflächentemperatur S. As further from the graphic representation 200 and as can be seen from Table 1, the temperature profile closes 202 a 75th percentile temperature M ₇₅ at a 75th percentile point 212 one that's halfway between the midpoint 208 and the innermost part 112 the core lies. In this case the 75th percentile temperature is M ₇₅ at least 50% of the surface temperature S . Especially in this case, the 75th percentile temperature M ₇₅ 593 degrees Celsius. The surface temperature S is 920 degrees Celsius, which is the 75th percentile temperature M ₇₅ between 60% and 70% of the surface temperature S .

Bestimmte Materialien sind besser geeignet als andere, um das graduelle Temperaturprofil 202 bereitzustellen, das die Spannungen reduziert. In diesem Beispiel ist die Kurbelwelle 100 vorzugsweise aus einem Stahl gebildet, wie etwa einem Kohlenstoffstahl, der mehr als 0,3 Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweist. Der Stahl kann einen idealen kritischen Durchmesser (DI) von weniger als 1,70 aufweisen. Bei anderen Variationen kann der Stahl mit einem idealen kritischen Durchmesser (DI) von weniger als 3,0 bereitgestellt werden. Einige Beispiele für Materialien, die für die Kurbelwelle 100 verwendet werden können, schließen Stahl 1541, Stahl 1545, Stahl 1440, Stahl 1040 sowie Mikrolegierungen, wie etwa Stahl 1538 MV oder 44MnSiVS6, ein.Certain materials are better suited than others to the gradual temperature profile 202 to provide that reduces tension. In this example is the crankshaft 100 preferably formed from a steel, such as a carbon steel, having more than 0.3 weight percent carbon. The steel can have an ideal critical diameter (DI) of less than 1.70. In other variations, the steel can be provided with an ideal critical diameter (DI) less than 3.0. Some examples of materials used for the crankshaft 100 may include 1541 steel, 1545 steel, 1440 steel, 1040 steel, and microalloys such as 1538 MV or 44MnSiVS6 steel.

Während des Induktionshärteprozesses wird die Oberflächentemperatur S auf eine Temperatur erhöht, die bei oder über einer AC3-Temperatur des Oberflächenmaterials des Kurbelwellenbolzenzapfens liegt. Eine AC3-Temperatur kann einer Temperatur entsprechen, bei der die Umwandlung von Ferrit in Austenit während des Erwärmens abgeschlossen wird. Das Temperaturprofil 202 weist graduell niedrigere Temperaturen entlang des Profils 202 auf, und am innersten Teil 112 des Kerns weist das Temperaturprofil 202 eine Temperatur auf, die unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegt. Allerdings wird mehr als nur die Oberfläche 104 und der Abschnitt der Kurbelwelle 100 unmittelbar unterhalb der Oberfläche 104 auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt. Infolgedessen entwickelten sich innerhalb der Kurbelwelle 100 Eigenzugspannungen, anstatt nur an der Oberfläche 104 und an angrenzenden Druckspannungen in Oberflächennähe aufzutreten. During the induction hardening process, the surface temperature S to a temperature that is at or above an AC3 temperature of the surface material of the crankshaft pin. An AC3 temperature can correspond to a temperature at which the conversion of ferrite to austenite is completed during the heating. The temperature profile 202 shows gradually lower temperatures along the profile 202 on, and at the innermost part 112 of the core shows the temperature profile 202 a temperature that is below the austenitizing temperature. However, more than just the surface 104 and the section of the crankshaft 100 immediately below the surface 104 heated to a temperature above the austenitizing temperature. As a result, developed within the crankshaft 100 Internal tensile stresses instead of just on the surface 104 and to occur at adjacent compressive stresses near the surface.

Somit stellt das Verfahren der vorliegenden Offenbarung eine Tiefenerwärmung der Kurbelwelle 100 während des Induktionshärteprozesses selbst bereit. Die resultierende Oberfläche 104 kann eine Härte von mindestens 50 HRC aufweisen.Thus, the method of the present disclosure provides deep heating of the crankshaft 100 ready during the induction hardening process itself. The resulting surface 104 can have a hardness of at least 50 HRC.

In einem exemplarischen induktiven Erwärmungsverfahren schließt das induktive Erwärmungsverfahren das Anlegen einer Reihe von induktiven Erwärmungsfeldimpulsen über die Spule 102 in den Kurbelzapfen 108 der Kurbelwelle 100 ein. So kann beispielsweise das induktive Erwärmungsverfahren das Anlegen eines ersten induktiven Impulses für eine erste Periode, das Unterbrechen, das Anlegen eines zweiten induktiven Impulses für eine zweite Periode, das Unterbrechen und das Anlegen eines dritten induktiven Impulses für eine dritte Periode einschließen. In einem Beispiel wird jeder induktive Erwärmungsimpuls bei einer Intensität von 2,0 bis 2,5 J/C*mm², wie etwa 2,25 J/C*mm², angelegt. Jede der ersten, zweiten und dritten Perioden hält für eine Dauer im Bereich von 8 bis 12 Sekunden an, wie etwa 10 Sekunden, so dass die Anwendung des Feldimpulses kontinuierlich für jede der ersten, zweiten und dritten Perioden vor dem Unterbrechen angewendet wird. Die Unterbrechungen zwischen jeder Periode der induktiven Feldanwendung können beispielsweise im Bereich von 1 bis 3 Sekunden oder etwa 2 Sekunden liegen. In einem exemplarischen Gesichtspunkt kann das Pulsieren erreicht werden, indem ein Wechselstrom in einer leitenden Spule in einem Werkzeug periodisch ein- und ausgeschaltet wird und/oder die Intensität des von der Induktionsspule erzeugten Induktionsfeldes geschaltet wird.In an exemplary inductive heating process, the inductive heating process includes applying a series of inductive heating field pulses across the coil 102 in the crank pin 108 the crankshaft 100 a. For example, the induction heating method may include applying a first inductive pulse for a first period, interrupting, applying a second inductive pulse for a second period, interrupting, and applying a third inductive pulse for a third period. In one example, each inductive heating pulse is applied at an intensity of 2.0 to 2.5 J / C * mm ² , such as 2.25 J / C * mm ² . Each of the first, second, and third periods lasts for a period in the range of 8 to 12 seconds, such as about 10 seconds, so that the application of the field pulse is applied continuously for each of the first, second, and third periods before interrupting. The interruptions between each period of the inductive field application can range, for example, from 1 to 3 seconds or about 2 seconds. In an exemplary aspect, the pulsation can be achieved by periodically switching an alternating current in a conductive coil in a tool on and off and / or switching the intensity of the induction field generated by the induction coil.

Durch das Pulsieren der induktiven Feldanwendungen kann das Kurbelwellenmaterial mit dem graduellen Temperaturprofil 202 tiefenerwärmt werden. Es versteht sich, dass das Temperaturprofil 202 in jeder geeigneten Weise erstellt werden kann, wie etwa durch einmalige Anwendung eines hochintensiven Induktionsfeldes.By pulsing the inductive field applications, the crankshaft material with the gradual temperature profile 202 be deeply heated. It is understood that the temperature profile 202 can be created in any suitable manner, such as by applying a high intensity induction field once.

Nachdem der Kurbelwellenbolzenzapfen des Kurbelzapfens 108 auf ein graduelles Temperaturprofil 202 erwärmt wurde, schließt das Verfahren hierin das Abschrecken der Außenfläche 104 auf eine Temperatur ein, die deutlich unter der Umwandlungstemperatur liegt, um die Außenfläche 104 zu härten. Das Abschrecken erfolgt flach und schnell, um die Außenfläche 104 schnell abzukühlen. So kann beispielsweise eine Polymerabschreckung in einer Wasserlösung auf die Außenfläche 104 angewendet werden. After the crank pin journal of the crank pin 108 on a gradual temperature profile 202 The method herein includes quenching the outer surface 104 to a temperature that is significantly below the transition temperature around the outer surface 104 to harden. Quenching is done flat and fast to the outside surface 104 cool down quickly. For example, polymer quenching in a water solution can be applied to the outer surface 104 be applied.

Unter Bezugnahme auf 3 veranschaulicht eine grafische Darstellung 300 ein alternatives exemplarisches Induktionserwärmungsprofil 302 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Induktionserwärmungsprofil 302 kann mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren anstelle des Profils 202 verwendet werden. Das Induktionserwärmungsprofil 302 kann beispielhaft mit ähnlichen induktiven Erwärmungsimpulsen wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden. Die horizontale Achse 304 der grafischen Darstellung 300 entspricht der Tiefe in Millimetern von der Oberfläche 104, während die vertikale Achse 306 der Materialtemperatur in Grad Celsius entspricht. In dem in der grafischen Darstellung 300 veranschaulichten Beispiel erreicht die Oberflächentemperatur S' etwa 850 Grad Celsius, was sich in einem Transformationsbereich der Stahllegierung der Kurbelwelle 100 befindet. Mit anderen Worten, das Material an der Oberfläche 104 wird beim Erwärmen auf die Oberflächentemperatur S' austenitisiert.With reference to 3rd illustrates a graphical representation 300 an alternative exemplary induction heating profile 302 according to the present disclosure. The induction heating profile 302 can use the procedure described above instead of the profile 202 be used. The induction heating profile 302 can for example with similar inductive heating impulses as described above. The horizontal axis 304 the graphical representation 300 corresponds to the depth in millimeters from the surface 104 while the vertical axis 306 corresponds to the material temperature in degrees Celsius. In the in the graphical representation 300 illustrated example reaches the surface temperature S ' about 850 degrees Celsius, which is in a transformation area of the steel alloy of the crankshaft 100 located. In other words, the material on the surface 104 is when heating to the surface temperature S ' austenitized.

Das Temperaturprofil 302 schließt eine Mittelpunktstemperatur M' an einem Mittelpunkt 308 zwischen der äußeren Kurbelwellenoberfläche 104 und dem innersten Teil 112 des Kerns ein. Das Temperaturprofil 302 weist graduell niedrigere Temperaturen auf, die von der Oberfläche 104 bis zum innersten Teil 112 des Kerns reichen. Die Mittelpunktstemperatur M' beträgt mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S'.The temperature profile 302 closes a midpoint temperature M ' at a midpoint 308 between the outer crankshaft surface 104 and the innermost part 112 of the core. The temperature profile 302 has gradually lower temperatures from the surface 104 to the innermost part 112 of the core are enough. The midpoint temperature M ' is at least 50% of the surface temperature S ' .

Bezug nehmend auf 3 sind Datenpunkte, die den Punkten der Temperaturprofilkurve 302 entsprechen, in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2. Temperaturprofil 302 als Funktion des Abstands von der Oberfläche 104. Abstand von der Oberfläche 104 (mm) Temperatur (Grad Celsius) Perzentil von Oberfläche 104 0 850 0 5 850 20 6,25 825 25 10 750 40 12,5 658,33 50 18,75 429,167 75 25 200 100 Referring to 3rd are data points that correspond to the points of the temperature profile curve 302 correspond, shown in the following Table 2. Table 2. Temperature profile 302 as a function of distance from surface 104. Distance from the surface 104 (mm) Temperature (degrees Celsius) Percentile from surface 104 0 850 0 5 850 20 6.25 825 25th 10 750 40 12.5 658.33 50 18.75 429.167 75 25th 200 100

Tabelle 2 zeigt Datenpunkte für das Temperaturprofil 302 als Funktion des Abstands von der Oberfläche 104 in Millimetern. Die dritte Spalte zeigt ferner das Perzentil der Tiefe, entlang der jeder Temperatur- und Tiefendatenpunkt fällt. So hat beispielsweise das Temperaturprofil 302 bei 5 mm von der Oberfläche eine Temperatur von 850 Grad Celsius, und das ist 20 Perzentil entfernt von der Oberfläche 104 zum innersten Teil 112 des Kerns (der in diesem Beispiel entlang der Längsachse L der Kurbelwelle 100 angeordnet ist).Table 2 shows data points for the temperature profile 302 as a function of the distance from the surface 104 in millimeters. The third column also shows the percentile of depth along which each temperature and depth data point falls. For example, the temperature profile 302 at 5 mm from the surface a temperature of 850 degrees Celsius, and that's 20 percentile away from the surface 104 to the innermost part 112 the core (which in this example is along the longitudinal axis L the crankshaft 100 is arranged).

Wie vorstehend erörtert, beträgt die Mittelpunktstemperatur M' mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S'. Der Mittelpunkt 308 befindet sich beim 50. Perzentil der Tiefe oder auf halbem Weg zwischen der Oberfläche 104 und dem innersten Teil 112 des Kerns. In diesem speziellen Beispiel beträgt die Mittelpunktstemperatur M' etwa 658 Grad C, während die Oberflächentemperatur S' 850 Grad C beträgt. Daher ist in diesem Beispiel die Mittelpunktstemperatur M' höher als 70 % der Oberflächentemperatur S; in diesem Fall etwa 77 %. Es ist jedoch zu verstehen, dass das Temperaturprofil 302 einige Abweichungen aufweisen kann, ohne über das Wesentliche und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung hinauszugehen. In einigen Fällen kann die Mittelpunktstemperatur M' im Bereich von 70 % bis 80 % der Oberflächentemperatur S' liegen. Ebenso können die anderen Temperaturen in Tabelle 2 beispielsweise um bis zu 10 % oder sogar bis zu 30 % variieren. So können beispielsweise für die Kurbelwelle 100 oder ein anderes Werkstück unterschiedliche Materialien verwendet werden, wodurch das Temperaturprofil vom exakten Temperaturprofil 302, das in 3 und mithilfe von Tabelle 2 gezeigt wird, abweicht.As discussed above, the midpoint temperature is M ' at least 50% of the surface temperature S ' . The middle-point 308 is at the 50th percentile of the depth or halfway between the surface 104 and the innermost part 112 of the core. In this particular example, the midpoint temperature is M ' about 658 degrees C while the surface temperature S ' Is 850 degrees C. Therefore in this example is the midpoint temperature M ' higher than 70% of the surface temperature S ; in this case about 77%. However, it is understood that the temperature profile 302 may have some variations without going beyond the essence and scope of the present disclosure. In some cases, the midpoint temperature M ' in the range of 70% to 80% of the surface temperature S ' lie. Likewise, the other temperatures in Table 2 can vary, for example, by up to 10% or even up to 30%. For example, for the crankshaft 100 or another workpiece different materials are used, which makes the temperature profile from the exact temperature profile 302 , this in 3rd and shown using Table 2.

Wie aus der grafischen Darstellung 300 und aus Tabelle 2 ersichtlich ist, schließt das Temperaturprofil 302 eine 25. Perzentiltemperatur T₂₅' bei einem 25. Perzentilpunkt 310 ein, die auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt 308 und der Außenfläche 104 liegt. In diesem Fall liegt die 25. Perzentiltemperatur T₂₅' innerhalb von 10 % der Oberflächentemperatur S'. Insbesondere beträgt in diesem Fall die 25. Perzentiltemperatur T₂₅' 825 Grad Celsius. Die Oberflächentemperatur S' beträgt 850 Grad Celsius, und somit ist die 25. Perzentiltemperatur T₂₅' höher als 97 % der Oberflächentemperatur S', aber geringer als 98 %.As from the graphic representation 300 and as can be seen from Table 2, the temperature profile closes 302 a 25th percentile temperature T ₂₅ ' at a 25th percentile point 310 one that's halfway between the midpoint 308 and the outside surface 104 lies. In this case the 25th percentile temperature is T ₂₅ ' within 10% of the surface temperature S ' . In this case, in particular, the 25th percentile temperature is T ₂₅ ' 825 degrees Celsius. The surface temperature S ' is 850 degrees Celsius, and thus is the 25th percentile temperature T ₂₅ ' higher than 97% of the surface temperature S ' but less than 98%.

Wie des Weiteren aus der grafischen Darstellung 300 und aus Tabelle 2 ersichtlich ist, schließt das Temperaturprofil 302 eine 75. Perzentiltemperatur T₇₅' bei einem 75. Perzentilpunkt 312 ein, die auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt 308 und dem innersten Teil 112 des Kerns liegt. In diesem Fall beträgt die 75. Perzentiltemperatur T₇₅' mindestens 50 % der Oberflächentemperatur S'.As further from the graphic representation 300 and as can be seen from Table 2, the temperature profile closes 302 a 75th percentile temperature T ₇₅ ' at a 75th percentile point 312 one that's halfway between the midpoint 308 and the innermost part 112 the core lies. In this case the 75th percentile temperature is T ₇₅ ' at least 50% of the surface temperature S ' .

Unter Bezugnahme auf 4 veranschaulicht eine grafische Darstellung 400 einen Anteil der martensitischen Phase nach dem Abschrecken als Funktion der Tiefe von der Oberfläche 104 des Kurbelwellenbolzenzapfens 108 zu einem innersten Teil 112 des Kerns. Die Kurve 402 stellt die martensitischen Phasendatenpunkte dar, wobei die Tiefe in Millimeter auf der horizontalen Achse 404 und der Prozentsatz an Martensit entlang der vertikalen Achse 406 veranschaulicht ist. 4 stellt den Martensit dar, der sich bildet, nachdem zuerst das in 3 dargestellte Temperaturprofil 302 aufgebracht und dann abgeschreckt wurde. 100 % Martensit wurde an der Oberfläche 104 beobachtet, während 0 % Martensit am innersten Teil 112 des Kerns beobachtet wurde. Die grafische Darstellung 400 veranschaulicht, dass der Martensit entlang der Tiefe graduell abnimmt, anstatt schnell in der Nähe der Oberfläche 104 zu verschwinden, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Spannungen führt, was zu einem geringeren Risspotenzial unter Betriebsbelastung führt.With reference to 4th illustrates a graphical representation 400 a portion of the martensitic phase after quenching as a function of depth from the surface 104 of the crankshaft pin 108 to an innermost part 112 of the core. The curve 402 represents the martensitic phase data points, with the depth in millimeters on the horizontal axis 404 and the percentage of martensite along the vertical axis 406 is illustrated. 4th represents the martensite that forms after the in 3rd temperature profile shown 302 was applied and then quenched. 100% martensite was on the surface 104 observed while 0% martensite on the innermost part 112 the core was observed. The graphical representation 400 illustrates that the martensite gradually decreases along the depth, rather than rapidly near the surface 104 to disappear, which leads to a more uniform distribution of the stresses, which leads to a lower crack potential under operating load.

Obwohl das hierin beschriebene Verfahren auf einen Kurbelzapfen 108 einer Kurbelwelle 100 angewendet wird, versteht es sich, dass das Verfahren auf jedes andere Werkstück angewendet werden kann, für das eine Härtung ohne Rissbildung erwünscht ist.Although the method described herein is based on a crank pin 108 a crankshaft 100 applied, it is understood that the method can be applied to any other workpiece for which curing without cracking is desired.

Diese Beschreibung dient lediglich der Veranschaulichung und soll die Offenbarung, deren Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die breiten Lehren der Offenbarung können in verschiedenen Formen implementiert werden. Daher sollte, obwohl diese Offenbarung besondere Beispiele einschließt, der tatsächliche Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt sein, da andere Modifikationen beim Studieren der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden.This description is for illustrative purposes only and is not intended to limit the disclosure, its application, or uses in any way. The broad teachings of the disclosure can be implemented in various forms. Therefore, although this disclosure includes specific examples, the actual scope of the disclosure should not be so limited, since other modifications will become apparent upon studying the drawings, the description, and the following claims.

Claims

Beansprucht wird:The following are claimed:

Verfahren zur Wärmebehandlung einer Kurbelwelle für ein Fahrzeugantriebssystem, wobei die Kurbelwelle aus einem Kurbelwellenmaterial gebildet ist und eine Außenfläche aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Erwärmen mindestens eines Abschnitts der Kurbelwelle auf ein Temperaturprofil mit einer Oberflächentemperatur an der Außenfläche, wobei das Temperaturprofil graduell niedrigere Temperaturen von der Außenfläche auf einen Kern der Kurbelwelle einschließt, wobei das Temperaturprofil eine Mittelpunktstemperatur in einem Mittelpunkt zwischen der Außenfläche und einem innersten Teil des Kerns einschließt, wobei die Mittelpunktstemperatur mindestens 50 % der Oberflächentemperatur, gemessen in der Celsius-Skala, beträgt, wobei die Oberflächentemperatur innerhalb eines Umwandlungsbereichs des Kurbelwellenmaterials liegt; und anschließend Abschrecken der Außenfläche der Kurbelwelle.A method of heat treating a crankshaft for a vehicle drive system, the crankshaft being formed from a crankshaft material and having an outer surface, the method comprising: Heating at least a portion of the crankshaft to a temperature profile with a surface temperature on the outer surface, the temperature profile gradually including lower temperatures from the outer surface to a core of the crankshaft, the temperature profile including a midpoint temperature at a midpoint between the outer surface and an innermost part of the core , where the center temperature is at least 50% of the surface temperature, measured on the Celsius scale, the surface temperature being within a conversion range of the crankshaft material; and then quenching the outer surface of the crankshaft.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle Induktionserwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle einschließt.Procedure according to Claim 1 , wherein heating the portion of the crankshaft includes induction heating the portion of the crankshaft.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Temperaturprofil eine 25. Perzentiltemperatur bei einem 25. Perzentilpunkt einschließt, der auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt und der Außenfläche liegt, wobei die 25. Perzentiltemperatur innerhalb von 10 % der Oberflächentemperatur liegt, die in der Celsius-Skala gemessen wird, wobei das Temperaturprofil eine 75. Perzentiltemperatur bei einem 75. Perzentilpunkt einschließt, die auf halbem Weg zwischen dem Mittelpunkt und dem innersten Teil des Kerns liegt, wobei die 75. Perzentiltemperatur mindestens 50 % der Oberflächentemperatur, gemessen in der Celsius-Skala, beträgt, wobei die Mittelpunktstemperatur mindestens 70 % der Oberflächentemperatur, gemessen in der Celsius-Skala, beträgt.A method according to any preceding claim, wherein the temperature profile includes a 25th percentile temperature at a 25th percentile point midway between the center and the outer surface, the 25th percentile temperature being within 10% of the surface temperature, which is in Celsius Scale is measured, the temperature profile including a 75th percentile temperature at a 75th percentile point, which is halfway between the center and the innermost part of the core, the 75th percentile temperature being at least 50% of the surface temperature, measured in Celsius- Scale, the center temperature being at least 70% of the surface temperature, measured in the Celsius scale.

Verfahren nach Anspruch 3, wobei die 75. Perzentiltemperatur im Bereich von 60 % bis 70 % der Oberflächentemperatur liegt, gemessen in der Celsius-Skala.Procedure according to Claim 3 , where the 75th percentile temperature is in the range of 60% to 70% of the surface temperature, measured on the Celsius scale.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittelpunktstemperatur im Bereich von 70 % bis 80 % der Oberflächentemperatur liegt, gemessen in der Celsius-Skala.Method according to one of the preceding claims, wherein the center temperature is in the range from 70% to 80% of the surface temperature, measured on the Celsius scale.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Außenfläche eine runde Lagerzapfenfläche der Kurbelwelle ist und sich das Temperaturprofil entlang eines Radius der Lagerzapfenfläche bis zum innersten Teil des Kerns erstreckt, wobei das Verfahren ferner das Bereitstellen des Kurbelwellenmaterials als Stahl mit einem idealen kritischen Durchmesser (DI) von weniger als 1,70 umfasst.The method of any preceding claim, wherein the outer surface is a round journal surface of the crankshaft and the temperature profile extends along a radius of the journal surface to the innermost part of the core, the method further comprising providing the crankshaft material as steel with an ideal critical diameter (DI ) of less than 1.70.

Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend das Bereitstellen des Stahls als Kohlenstoffstahl mit mindestens 0,3 Gew.-% Kohlenstoff.Procedure according to Claim 6 , further comprising providing the steel as carbon steel with at least 0.3 wt% carbon.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle das Anlegen einer Vielzahl von induktiven Feldimpulsen an die Kurbelwelle einschließt. The method of any preceding claim, wherein heating the portion of the crankshaft includes applying a plurality of inductive field pulses to the crankshaft.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle das Anlegen eines ersten induktiven Impulses mit einer Intensität im Bereich von 2,0 bis 2,5 J/C*mm² für eine erste Periode, das Anlegen eines zweiten induktiven Impulses mit einer Intensität im Bereich von 2,0 bis 2,5 J/C*mm² für die zweite Periode und das Anlegen eines dritten induktiven Impulses mit einer Intensität im Bereich von 2,0 bis 2,5 J/C*mm² für eine dritte Periode, wobei jede der ersten, zweiten und dritten Perioden im Bereich von 8 bis 12 Sekunden liegt, sowie das Unterbrechen zwischen dem Anlegen jedes der ersten, zweiten und dritten induktiven Impulse einschließt.Method according to one of the preceding claims, wherein heating the portion of the crankshaft applying a first inductive pulse with an intensity in the range of 2.0 to 2.5 J / C * mm ² for a first period, applying a second inductive pulse with an intensity in the range of 2.0 to 2.5 J / C * mm ² for the second period and the application of a third inductive pulse with an intensity in the range of 2.0 to 2.5 J / C * mm ² for a third period, each of the first, second and third periods being in the range of 8 to 12 seconds, and includes interrupting the application of each of the first, second and third inductive pulses.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das induktive Erwärmen des Abschnitts der Kurbelwelle das Anlegen eines Wechselstroms an einen gewickelten Leiter umfasst.The method of any preceding claim, wherein inductively heating the portion of the crankshaft comprises applying an alternating current to a wound conductor.