DE1207716B

DE1207716B - Kurbelwelle und Verfahren zu ihrer Haertung

Info

Publication number: DE1207716B
Application number: DED38724A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Gerhard Seulen; Hermann Kuhlbars
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG; AEG AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG; AEG AG
Priority date: 1962-04-19
Filing date: 1962-04-19
Publication date: 1965-12-23
Also published as: GB959886A; US3257865A

Description

Kurbelwelle und Verfahren zu ihrer Härtung Kurbelwellen, wie sie beispielsweise in Verbrennungskraftmotoren verwendet werden, sind bekanntlich schon seit langer Zeit an den Oberflächen ihrer Lagerzapfen gehärtet worden. Für dieses, Oberflächenhärten ist sowohl das sogenannte Flammenhärten als auch das induktive Härten benutzt worden. Das Bestreben ging hierbei dahin, an dem Umfang der Zapfen eine gleichmäßige Stärke und Breite der Einhärtung zu erzielen. So sind Vorkehrungen getroffen worden, um Störungen, wie sie von den verhältnismäßig großen Massen der Wangen während des Erhitzens ausgehen, zu unterbinden. Diese Wangen führen nämlich zu einer verstärkten Wärmeabfuhr in gewissen Bezirken und sofern elektroinduktiv aufgeheizt wird, ergibt sich eine gewisse Störung des Magnetfeldes.
Abwandlungen sind zugelassen oder angestrebt worden, hinsichtlich der Einhärtung der Hohlkehlen, d. h. also der Stellen des überganges vom Zapfen zur Wange. Je nach der zu erwartenden Beanspruchung wird einmal der Härtung der Hohlkehlen der Vorzug gegeben und in einem anderen Falle soll diese Einhärtung möglichst vermieden werden.
Das Verfahren des Oberflächenhärtens sowohl der ausmittigen Hubzapfen als auch der mittigen Lagerzapfen hat sich in der Praxis bewährt. Als besonders zweckmäßig hat sich das Verfahren der Härtung herausgebildet, bei welchem die Kurbelwelle bzw. die Zapfen während des Erhitzens und Abschreckens umlaufen. Zwar muß hierbei größere Sorgfalt auf das Anspannen und Lagern der Kurbelwelle während der einzelnen Erhitzungs- und Härteoperationen beobachtet werden, als bei den Verfahren, bei welchen die Kurbelwelle ruht und mit einem Induktor gearbeitet wird, der jeweils den gesamten Zapfen umschließt. Es ergibt sich aber bei dem Umlaufverfahren der Vorteil, daß sich die Kurbelwelle während des Härtens und Abschreckens in einem geringeren Maße verzieht. Dennoch ist beim Umlaufverfahren das Maß des Verzuges immerhin noch so groß, daß anschließende Richtarbeit unvermeidbar ist. Das Richten ist nicht nur deshalb von Nachteil, weil es einen zusätzlichen und im übrigen sehr sorgfältig auszuführenden Arbeitssehritt bedeutet, sondern weil das Richten der Kurbelwelle an sich nicht besonders zuträglich ist. Es konnte festgestellt werden, daß Kurbelwellen, die ein stärkeres Nachrichten erforderlich gemacht hatten, im Betrieb bei den Betriebsteniperaturen im Motor wieder Verzug zeigen, wodurch sich eine geringere Lebensdauer der Lagerung oder der Welle ergibt im Vergleich zu solchen, die nur eine geringfügige oder gar keine Nachrichtung benötigen. Der bekannte Vorschlag eine zu richtende Kurbelwelle, die an den Oberflächen ihrer Lagerzapfen ge- härtet worden ist, im Bereich der Wangen bzw. Kurbeln induktiv zu erwärmen, hat sich in die Praxis nicht eingeführt, weil diese Maßnahme verhältnismäßig umständlich ist. Es wäre auch nur bei verhältnismäßig großen Kurbelwellen durchführbar, bei denen die Kurbelarme hinreichende Länge besitzen, um ein solches Erwärmen möglich zu machen. Im übrigen wird durch diese Maßnahme nicht das Richten an sich vermieden, sondern lediglich die Richtarbeit erleichtert, bzw. an Stelle der klassischen Richtarbeit ein verändertes Richtverfahren gewählt.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt eine Kurbelwelle zu schaffen, die unabhängig von der Härtungsart, insbesondere aber elektroinduktiv gehärtet, minimalen Verzug zeigt, und infolgedessen zwischen Härtung und endgültiger Fertigbearbeitung praktisch nicht gerichtet zu werden braucht. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Volumen der Härteschichten der ausmittigen Zapfen in Umfangsrichtung gesehen, vom Hüllkreis ausgehend, in Richtung auf die Kurbelwellenachse zunimmt. In den Umfangsbezirken der einzelnen Zapfen, die der Wellenachse am nächsten sind, soll das Volumen vorzugsweise den Höchstwert aufweisen. Die Volumenzunahme wird erreicht durch größere Härtetiefe oder durch größere Härtebreite. Es ist ferner möglich, die Variationen in der Härtetiefe und der Härtebreite gleichzeitig und gemeinsam anzuwenden, um zum gewünschten Ziel zu gelangen. Hierbei kann die Härtung nur die Zapfenoberfläche erfassen oder auch die gesamte Hohlkehle umfassen. Es kann auch im Bereich der Schultern nur die Zapfenoberfläche erfaßt werden und im Bereich der Wangen die Zapfenoberfläche einschließlich Hohlkehlen gehärtet sein. Der übergang von Zapfenhärtung einschließlich Hohlkehlen muß dabei in einem Gebiet geringer Wechselbiege- und/oder Torsionsspannung liegen. Wes(jntlich ist in jedem Falle, daß das Volumen an rzi#zitonsitiscliem Härtegefüge ip Nachbarschaft des Hüllkreises -ering ist und in Umian-srichtun- -esehen, bis in die unmittelbare Nachbarschaft der Kurbelwellenachse zunimmt, um vorzu-sweise dort seinen Höchstwert zu erreichen.
Die Mittella-er einer Kurbelwelle aemäß dei Erfindun- sollen an der Oberfläche gleichförmig gehärtet sein wie dies bisher für alle Lagerzapfen Z von Kurbelwellen üblich ist.
überraschenderweise zeigt es sich-, daß eine Kurbelwelle gemäß der Erfindun2, die ein Gesamthärtebild aufweist wie es oben beschrieben ist, nach dem Härten nicht mehr gerichtet zu werden braucht. Auf Grund einiger weniger Stichversuche ist es für den . achtnann ein Leichtes, die Volumenvariation des martensitischen Gefüges für jeden Zapfenumfang so einzure-eln, daß die Welle einen minimalen Verzu- zeigt. In den Zeichnungen ist in A b b. 1 die Ansicht einer vierhübigen Kurbelwelle teilweise im Schnitt dargestellt.
A b b. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Pfeilrichtung sehen; cle Ab b. 3 und 4 sind Län(Ysschnitte durch Hubzapfen.
Die ausmittigen Hubzapfenlager sind mit 1 bis 4 bezeichnet. 5 bis 9 sind die Mittellager. Der Teilschnitt im Bereich des Hublag-ers 2 und des Mittella-ers 7 läßt erkennen, daß die, durch gestrichelte Linien angedeutete Härteschicht 10 von dem Mittelkager 7 gleichförmig auf den Umfang des Zapfens verteilt ist. Beim ausmittigen Lagerzapfen 2 ist bei 11 eine verhältnismäßi- dünne Härteschicht zu erkennen. In Nachbarschaft der Kurbelwellenmittelachse 12 isi diese Schicht, wie bei 13 angedeutet, wesentlich stärk-er. Die Schichtdicke nimmt, wie aus A b b. 2 erkennbar, in Richtung des Umfanges stetig zu. Sinngemäß das Gleiche ist an dem Kurbelzapfen 4 festzustellen. In Nachbarschaft der Kurbelwellenmiltelachse 12 ist die Härteschicht 14 besonders stark, auf der entgegengesetzten Seite des Kurbelzapfens bei 15 verhältnismäßig schwach. Im übrigen sind auch die Zapfen 1 und 3 in der gleichen Weise zu behandeln.
Die Härteschicht kann auch die Hohlkehlen umfassen, wie in Ab b. 3 gezeigt. Dabei kann ebenfalls cr iß der Erfindung die Härtetiefe um den Umfang gemä c in beschriebenem Sinne ungleichmäßig sein. Es ist aber auch gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens möglich, die Härtung in der Nähe des Hüllkreises 18 nur die Zapfenoberfläche 20, in der Nähe der Wellenachse jedoch zusätzlich die Hohlkehlen umfassen zu lassen. Der Bezirk verhältnismäßig geringer Schichtdicke, wie in Ab b. 4 gezeigt, ist nicht bis in die Hohlkehlen gehärtet, dagegen sind bei 19 mit dickerer Schicht die Hohlkehlen mit erfaßt. Dabei muß der übergang von Zapfen- zu Hohlkehlenhärtung in einem Bereich liegen, in dem nur geringe Wechselbiege- und/oder Torsionsspannungen auftreten.
In jedem Falle kommt es darauf an, daß das Volumen der Härtebezirke in Nachbarschaft der Kurbelwellenmittelachse 12 größer ist als die Volumen der Schichten, die im Bereich des Hüllkreises 18 liegen. Vermutlich ist dies darauf zurückzuführen, daß sich die Ausdehnungswirkungen, die infolge der Volumenzunahme beim Entstehen des martensitischen Härtegefüges sich in jedem Zapfen ausgleichen.
Für die Eigenschaften der Kurbelwelle ist es an sich gleichgültig, nach w elchem Ve#Hahreff -die Welle er ist es, das ingehärtet wird. Besonders zweckmäßig duktive Erhitzen vorzusehen, und zwar wie an sich bekannt, das Ganzflächenhärteverfahren, bei welchem der Zapfen gegenüber einem Induktor umläuft, der den Kurbelzapfen in Form einer Schleife nur teilweise umfaßt. Wenn der Zapfen nach mehrmaligem Umlauf gegenüber einem solchen Induktor die notwendige Härtetemperatur erreicht hat, wird der Induktor abgeschaltet und das Abschreckmittel aufgeleitet. Gemäß der Erfindung werden die einzelneu ausmittigen Zapfen während des Umlaufes plan-t, mäßig in einer, dem Verzug entgeeenwirk-c-idcii C -- Weise auf dem Umfan2- unzleichförmig erhitzt, um eine in Umfangsrichtung stetig auf einen Höchstwert der Tiefe und/oder Breite anwachsende oder abnehmende Härteschicht zu erzeu-en. Dem Induktor, der einen mit konstanter Geschwindi-keit umlaufenden Zapfen nur teilweise umfaßt, wird synchron zum Wellenumlauf unterschiedlich starke Leistung zu2eführt. Diese Leistung kann gesteuert werden. indc.-n die Erregung des Generators gesteuert wird, der als Wechselstromquelle für die Induktionserhitzungsanlage dient.
Weiterhin kann man in der Schaltung einer solchen Induktionserhitzungsanlage Drosselspulen vorschalten, die entweder im Schwin-kreis selbst oder vor diesem vorgesehen sein können. Die dem Induktor zuzuführende Leistung kann gesteuert werden, indem die Charakteristik dieser Drosselspulen verändert wird. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß verschiebbare Kerne vorgesehen werden, oder indem die Drosselspulen in unterschiedlicher Stärke, mittels Gleichstrom, vormagnetisiert werden.
Eine weitere Möglichkeit der Steuerung der zuzuführenden Leistung besteht darin, den induktiven Widerstand der Induktorzuleitungen zu variieren. Dies kann geschehen, indem Kerne zwischen den Leiterästen der Zuleitungen vorgesehen werden, die in mehr oder minder starkem Maße ein- und ausgefahren werden können.
Die Leistung kann auch geregelt werden, indem der Kopplungsabstand des Induktors periodisch und synchron zum Umlauf des Zapfens verändert wird. Am einfachsten ist die unmittelbar elektrische Beeinflussung in Abhängigkeit vom Umlauf des Zapfens. Es ist beispielsweise bekannt, die Leistung in Abhängigkeit des Drehwinkels der Kurbelwelle zu steuern.
Es sind aber auch andere Schaltungs- und Steuerungsarten möglich, die für andere Zwecke an sich bekannt sind. Es kann beispielsweise eine Meisterwelle vorgesehen werden. Es ist ferner mön, lich, Kurvenscheiben anzuordnen, die für die notwendigen Bewegungen von Schaltelementen oder mechanischen Teilen sorgen. Des weiteren ist -es möglich mit Nocken, Endschaltern od. dgl. mehr zu arbeiten.
Die einfachste Art das Härtebild gemäß der Erfindung zu erreichen besteht darin, die Härteschicht in ihrer Stärke auf den Umfang stetig zunehmen und abnehmen zu lassen. Hierbei nimmt meist auch die Breite zu bw. ab. Das stetige Breiterwerden und in der Breite wieder Abnehmen der Härteschicht in Achsrichtung des Zapfens gesehen, läßt sich sinngemäß mit gleichen oder ähnlichen Mitteln erzielen wie sie oben beschrieben worden sind.
Es ist bei der Beschreibung der Verfahren zu-n Erzeugen einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung davon ausgegangen worden, daß die Kurbelwelle während des Erhitzens und Abschreckens umläuft, weil dies an sich schon ein Verfahren ist, das in verhältnismäßig geringem Maße zum Verziehen Anlaß gibt. Auf das Erzeugen der Kurbelwellen kann aber auch das Stillstandverfahren mit umfassendem Induktor angewendet werden. Die Erhitzungstiefe und/oder Erhitzungsbreite kann hierbei unter gleichföriniger Leistungszufuhr durch ungleichförmig verteiltes Aufsetzen von lamellierten Blechpaketen auf den Induktor in Umfangsrichtung des Zapfens so gestaltet werden, daß sie bis zu einem Höchstwert stetig anwächst und wieder abnimmt.

Claims

Patentansprüche: 1. Kurbelwelle, deren Lagerzapfen an der Oberfläche. vorzugs-weise elektroinduktiv, gehärtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Härteschichten der ausmittigen Zapfen in Umfangsrichtung gesehen, vom Hüllkreis ausgehend, in Richtung auf die Kurbelwellenachse zunimmt und in den Umfangsbezirken, die der Wellenachse am dichtesten benachbart sind, den Höchstwert aufweisen.
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtetiefe und/oder Härtebreite in Nachbarschaft der Wellenachse am größten sind. 3. Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Härtung in an sich bekannter Weise bis um die Hohlkehlen erstreckt. 4. Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Härtung in der Nähe des Hüllkreises nicht bis in die Hohlkehlen erstreckt und diese in Richtung auf die Wellenachse gesehen in zunehmendem Maße von der Härtung erfaßt sind. 5. Verfahren zum elektroinduktiven Härten der ausmittigen Zapfen von Kurbelwellen nach Anspruch 1 im Ganzflächenumlaufverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zapfen während des Umlaufes planmäßig in einer dem Verzug entgegenwirkenden Weise auf dem Umfang ungleichförmig erhitzt werden. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Induktor, der den mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Zapfen, wie an sich bekannt, nur teilweise umfaßt, synchron zum Wellenumlauf unterschiedlich starke Leistung zugeführt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung mittels der Erregung des Generators gesteuert wird. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung durch Veränderung der Charakteristik von vor oder in den Schwingkreis eingeschalteter Drosselspulen geregelt wird, beispielsweise mittels verschiebbarer Keine oder mittels Gleichstromvormagnetisierung unterschiedlicher Stärke. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leislungsregelung der induktive Widerstand der Induktorzuleitungen durch Ein- und Ausfahren von Kernen zwischen den Leiterästen gesteuert wird. 10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsregelung der Kopplungsabstand periodisch verändert wird. 11. Verfahren zum elektroinduktiven Härten der ausmittigen Zapfen von Kurbelwellen gemäß Anspruch 1 im Stillstandverfahren mit umfassendem Induktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungstiefe und/oder Erhitzungsbreite bei gleichförmiger Leistimgszufuhr durch ungleichförmig verteiltes Aufsetzen von lamellierten Blechpaketen auf den Induktor in Umfangsrichtung des Zapfens bis zu einem Höchstwert stetig anwachsend und wieder abnehmend gestaltet wird.