DE1583329C - Method and device for increasing the torsional fatigue strength inductively hardened crankshafts - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf das induktive Härten von Kurbelwellen, insbesondere aber auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen die Torsionsdauerfestigkeit induktiv gehärteter Kurbelwellen erhöht werden kann.The invention relates to the inductive hardening of crankshafts, but in particular to a Method and device with which the torsional fatigue strength of inductively hardened crankshafts can be increased.

Es ist bereits seit langem bekannt, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit die Oberflächen der Lagerstein, d. h. der Hub- und Mittellagerzapfen an Kurbelwellen mit einer Hälteschicht zu versehen. Für diese Zwecke wird derzeit fast ausschließlich das induktive Härteverfahren angewandt.It has long been known to improve the wear resistance, the surfaces of the bearing blocks, d. H. the lifting and center bearing journals to be provided with a retaining layer on crankshafts. For these purposes, the inductive hardening process applied.

Es sind weiterhin induktiv gehärtete Kurbelwellen bekanntgeworden, deren Härteschichten sich nicht über die in erhöhtem Maße auf Verschleiß beanspruchteii Lagerllächeii erstrecken, sondern bei denen die Hälteschichten sich in Hohlkehlen zwisehen Lagerzapfen und Wangen hinein und sogar darüber hinaus bis in den sogenannten Anlaufbundbereich hinein erstrecken. Solche Härteschichten verleihen den Kurbelwellen cine stark erhöhte Dauerbiegefestigkeit. Furthermore, inductively hardened crankshafts have become known, the hardness layers of which do not overlap over those exposed to increased wear and tear ii Lagerllächeii extend, but in which the holding layers zwisehen in hollows Bearing journals and cheeks in and even beyond that into the so-called start-up collar area extend into it. Such hardness layers give the crankshafts a greatly increased flexural fatigue strength.

Die in dieser Weise induktiv gehärteten Kurbelwelleu haben sich ia der Praxis gut bewährt; denn es ist dadurch gelungen, die derart gehärteten, ansonsteii aber unveränderten Kurbelwellen für Motore wesentlich höherer Leistung zu verwenden, als dies mit gehärteten Kurbelwellen möglich gewesen wäre. Insbesondere durch die Mithärtung der Hohlkehlen ist eine Erhöhung der Dauerbiegefestigkeit an Kurbelwellen von etwa 80 bis 100 % erzielt worden.The crankshaft, inductively hardened in this way, have generally proven themselves in practice; because it succeeded in the hardened, otherwise but to use unchanged crankshafts for engines with much higher power than this would have been possible with hardened crankshafts. In particular due to the hardening of the fillets an increase in the flexural fatigue strength on crankshafts of around 80 to 100% has been achieved.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei derartigen in der Dauerbiegefestigkeit erheblich verbesserten Kurbelwellen als kritischster Kurbelvvellenteil bei Überlastuiigen der Bereich der öliochbohrungen an den Mittcllager- und Hublagerzapfen anzusehen ist. Bei unzulässig hoher statischer oder dynamischer Beanspruchung treten hier zuerst Torsionsdauerbrüche auf, die wohl auf die Volumenverringcrung im Bereich der Öliochbohrungen zurückzuführen sind.It has now been shown that crankshafts of this type are considerably improved in terms of their flexural fatigue strength the most critical part of the crankshaft when overloaded is the area of the oil holes on the Middle bearing and pin bearing is to be seen. In the event of inadmissibly high static or dynamic loads Torsional fatigue fractures occur here first, which is probably due to the reduction in volume in the area of the oil holes.

Bisher ist es noch nicht möglich gewesen, die Anfälligkeit der induktiv hohlkehlcngehärteten Kurbclwellen mit bekannten Mitteln zu verringern. Zwar ist beispielsweise schon versucht worden, durch Erzeugung einer hohen Oberflächengüte an öllochrändern oder durch nachträgliche Kaltverfestigung die Ursache für die Torsionsdauerbrüche zu beseitigen. Wenn ein solches Verfahren in der Serienfertigung mit dem gewünschten Erfolg durchgeführt werden soll, ist ein zu hoher Aufwand nötig.So far it has not been possible to determine the susceptibility of inductively fillet-hardened crankshafts reduce by known means. Attempts have already been made, for example, by generating a high surface quality at the edges of oil holes or through subsequent work hardening eliminate the cause of the torsional fatigue fractures. If such a process in mass production To be carried out with the desired success, too much effort is necessary.

Auch haben Versuche, die Aufgabe durch Verwendung höherlegierter Stähle zu lösen, nicht den gewünschten Erfolg gezeigt, da solche Maßnahmen zu einer Verteuerung des Erzeugnisses führen, nicht nur, weil der Werkstoff selbst teurer ist, sondern da auch für die Bearbeitung höhere Kosten aufzuwenden sind.Attempts to solve the problem by using higher-alloy steels also do not have the shown the desired success, since such measures lead to an increase in the price of the product, not only because the material itself is more expensive, but also because the processing costs are higher are.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Torsionsdauerl'estigkeit aus schwach legierten oder unlegierten Stählen hergestellten Kurbelwellen zu verbessern. Sie betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Torsionsdauerfestigkeit von Kurbelwellen, deren Lagerflächen gegebenenfalls einschließlich der Hohlkehlen zwischen Lagerzapfen und Seitenwangen induktiv gehärtet sind.The invention is therefore based on the object of improving the torsional fatigue strength from weakly alloyed or unalloyed steels to improve crankshafts. It concerns a method of increasing the torsional fatigue strength of crankshafts, their bearing surfaces, possibly including the fillets between the bearing pin and side walls are inductively hardened.

Erfmdimgsgemäß werden die Lagerzapfen von den Hohlkehlen ausgehend — erforderlichenfalls unter l'iiihe/.iehüiij', derselben —mit einer solchen induktiv gehiirtutcn Oberflächenschicht versehen, die in Riehtung auf die öllochbohrung zu in ihrer Stärke stetig zunimmt. Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird die Oberflüchenhärteschicht in Richtung auf die Öllochbohrung zu derart verstärkt, daß die Innenfläche der Öllochbohrung durchgehend mit einer Haloschicht versehen ist.According to the invention, the journals are of the Starting from fillets - if necessary under l'iiihe / .iehüiij ', the same - with such an inductive coated surface layer, which is in the direction steadily increasing in strength towards the oil hole. According to a preferred feature of the Invention is the surface hardness layer towards Reinforced on the oil hole so that the inner surface of the oil hole is continuous with is provided with a halo layer.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Innenfläche der Öllochbohrung lediglich bis zu einer Tiefe, des Ülloches induktiv zu härten, die kleiner als der halbe Zapfendurchmesser ist.But it can also be advantageous, the inner surface of the oil hole bore only up to a depth, des Induction hardening of holes that are smaller than half the journal diameter.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren soll vorteilhafterweise eine Vorrichtung angewandt werden mit zwei bei der Härtung der Kurbelwelle nacheinander wirksam werdenden Induktoren unterschiedlicher Breite. Beide Heizschleifen bzw. Induktoren sind bezüglich elektrischer Leistung, Frequenz und Heizdauer unabhängig voneinander steuerbar.To carry out the method according to the invention should advantageously be used a device with two in the hardening of the crankshaft successively effective inductors of different widths. Both heating loops or Inductors are independent of each other in terms of electrical power, frequency and heating duration controllable.

An Hand der A b b. I bis 4 soll die Erfindung näher erläutert werden. With reference to the A b b. I to 4 the invention is to be explained in more detail.

Abb. I und 2 zeigen jeweils das Hublager einer Kurbelwelle, das mit unterschiedlichen Härteschichten versehen ist;Fig. I and 2 each show the pin bearing of a Crankshaft provided with different hardness layers;

A b b. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren; in A b b. 4 ist als Diagramm die zeitlich beispielsweise den Induktoren zugeführte elektrische Leistung aufgezeigt. A b b. 3 shows schematically an apparatus for carrying out the method according to the invention; in A b b. 4 shows as a diagram the electrical power supplied to the inductors over time, for example.

In A b b. 1 ist das Teil einer Kurbelwelle zu erkenneu, bei dem ein Hublager I mit den Kurbelwangen 2 vollständig gezeigt ist. Zu beiden Seiten des Hublagers setzt die Kurbelwelle sich sodann in bekannter Weise in den Mittellagern 3 fort. Jedes Lager, d. h. also Mittel- und Hublager sind mit Bohrungen, sogenannten Öllöchern 4 versehen, die — wie aus A b b. 1 ersichtlich — geradlinig oder auch schräg durch die Lager verlaufen können. Die Grenze zwisehen induktiv gehärtetem und ungehärtetem Bereich ist in A b b. 1 durch eine gestrichelte Linie angezeigt, d- h. daß Zone 5 induktiv gehärtet ist. Die Härtezone 5 zu beiden Seiten des Hublagers im Anlaufbundbereich umfaßt den Bereich der Hohlkehlen und nimmt von dort ausgehend auf die öllochbohrung 4 stetig zu. Die in A b b. I gezeigte Härtezone 5 auf der Oberfläche des Hublagers durchsetzt das Hublager im Bereich der öllochbohrung vollständig. Die gesamte Innenfläche der öllochbohrung ist demnach oberflächengehärtet.In A b b. 1 the part of a crankshaft can be seen, in which a pin bearing I with the crank webs 2 is shown in full. On both sides of the pin bearing the crankshaft then continues in the center bearings 3 in a known manner. Each camp, i.e. H. so center and pin bearings are provided with bores, so-called oil holes 4, which - as from A b b. 1 can be seen - can run straight or at an angle through the bearings. See the border inductively hardened and unhardened area is in A b b. 1 indicated by a dashed line, i.e. that zone 5 is inductively hardened. The hardiness zone 5 on both sides of the pin bearing in the thrust collar area includes the area of the fillets and increases steadily from there to the oil hole 4. The in A b b. I shown hardness zone 5 this prevails on the surface of the pin bearing Complete pin bearing in the area of the oil hole. The entire inner surface of the oil hole is accordingly surface hardened.

Nicht so bei dem Hublager nach Abb. 2; dort nimmt die Härtezone 5 gleichfalls zur öllochbohrung 4 hin stetig zu, sie dringt jedoch im Bereich der öllochbohrung nicht so tief in das Hublager ein. Die Innenfläche ist somit nicht auf der gesamten Länge der Öllochbohrung oberflächengehärtet.Not so with the pin bearing according to Fig. 2; there the hardening zone 5 also increases steadily towards the oil hole 4, but it penetrates in the area the oil hole is not so deep into the pin bearing. The inner surface is therefore not on the whole Surface hardened oil hole length.

In welcher Weise und mit weichen Mitteln das neue Härteverfahren ausgeübt werden soll, ist aus Abb. 3 ersichtlich. Dort sind über der induktiv zu härtenden Lageroberfläche 6, die in abgewickelter Form gezeichnet ist, zwei Induktoren bzw. zwei Heizschleifen eines Induktors angeordnet. Die Heizschleifen bzw. Induktoren 7 und 8 weisen unterschiedliche Breite auf. Als Induktoren sind die Bauelemente 7 und 8 bekanntlich dann zu bezeichnen, wenn sie mechanisch voneinander getrennt sind. Mit unterschiedlicher elektrischer Leistung, unterschiedlicher Frequenz zu verschiedenen Zeiten beaufschlagte Heiz'riicr können dagegen durchaus in einem Ind'.ikU-r»i;häuse angeordnet sein.In what way and with soft means the new hardening process should be carried out is over Fig. 3 can be seen. There are over the inductively hardened bearing surface 6, which is in the developed Shape is drawn, two inductors or two heating loops of an inductor are arranged. The heating loops or inductors 7 and 8 have different widths. The components 7 are used as inductors and 8 are known to be designated when they are mechanically separated from one another. With different electrical power, different frequency applied at different times Heaters, on the other hand, can certainly do so in an Indian house be arranged.

Bei der nachfolgenden Beschreibung wird daher der Einfachheit wegen davon ausgegangen, da(3 es sich bei 7 und 8 um Hcizlciterschicifcn handelt. Es ist aber statt dessen auch die Verwendung von zwei Induktoren möglich.In the following description, for the sake of simplicity, it is assumed that (3 es 7 and 8 are Hcizlciterschicifcn. But it is also the use of two instead Inductors possible.

Nach A b b. 3 sind die beiden unterschiedlichen breiten Heizleiterschleifen 7 und 8 über je einen von Zeitgebern 9 und 10 gesteuerten Schalter Il und 12 mit einem elektrischen Mittelfrequenzgenerator verbunden. In den meisten Fällen jedoch werden die Heizleiterschleifen an verschiedene elektrische Generatoren angeschlossen sein, die sich insbesondere auch durch die abgegebene Frequenz unterscheiden können.According to A b b. 3 are the two different wide heating conductor loops 7 and 8 each over one of Timers 9 and 10 controlled switches II and 12 connected to an electrical medium frequency generator. In most cases, however, the heating conductor loops are connected to different electrical generators be connected, which also differ in particular in terms of the frequency output be able.

A b b. 4 zeigt, daß der Bereich um die Öllochbohrung 4 herum zunächst vorgeheizt wird und bei Erreichen der Härtetemperatur an der Oberfläche bis zur Erzeugung der gewünschten Erwärmungszone isotherm weitergeheizt wird. Die isotherme Heizung kann dabei teilweise durch den zweiten Induktor erfolgen, dessen Hauptaufgabe jedoch die Oberflachenheizung der gesamten Lagerfläche gegebenenfalls unter Einbeziehung der Hohlkehlen ist. Die Staffelung der Erwärmungszeiten soll dabei so erfoigen, daß ein Abschrecken aus der gemeinsamen Wärme möglich ist.A b b. 4 shows that the area around the oil hole 4 is initially preheated and when it is reached the hardening temperature on the surface up to the creation of the desired heating zone Isothermal heating continues. The isothermal heating can be partially provided by the second inductor the main task of which, however, is the surface heating of the entire storage area, if applicable including the fillets. The staggering of the heating times should be so that quenching from the common heat is possible.

Die Durchführung der induktiven Aufheizung der zu härtenden Oberfläche soll in der Weise vor sich gehen, daß zunächst die schmale Heizleiterschleife 7 während der Zeitspanne r, mit geringerer Leistung N₁ vom Generator G beaufschlagt wird, wie dies aus dem Diagramm gemäß Abb.'4 ersichtlich ist. Nach Ablauf der Zeit t_x wird der Schalter 11 geöffnet und der Schalter 12 geschlossen. Die Heizleiterschleife 8 wird nun während der Zeit i., vom Generator G mit der elektrischen Leistung iV., beaufschlagt. Wenn Leistung, Frequenz, Zeit und die Form der Heizleiterschleifen richtig gewählt gewesen sind, dann ist nach Abiauf der Zeitspanne I₁ -f t.₂ die Lagefläche in der aus der Abb. 1 oder 2 ersichtlichen Weise induktiv erhitzt, und durch Abschrecken mittels eines flüssigen oder gasförmigen Mediums kann in an sich bekannter Weise das Härten erfolgen.The inductive heating of the surface to be hardened should be carried out in such a way that first the narrow heating conductor loop 7 is subjected to a lower power N ₁ from the generator G during the period r, as can be seen from the diagram in Fig. 4 is. After the time t _x has elapsed, the switch 11 is opened and the switch 12 is closed. The heating conductor loop 8 is now acted upon by the generator G with the electrical power iV., During the time i. If the power, frequency, time and the shape of the heating conductor loops have been selected correctly, then after the time period I ₁ -f t. ₂ the layer surface is inductively heated in the manner shown in FIG. 1 or 2, and hardening can be carried out in a manner known per se by quenching by means of a liquid or gaseous medium.

Gute Ergebnisse dürften erzielt werden, wenn die Heizleiterschleife 7 mit elektrischer Energie niedrigerer Frequenz als Heizleiterschleife gespeist wird. Auch dann ist durchaus möglich, daß die Speisung aus dem gleichen elektrischen Generator erfolgt; denn bei den nunmehr auch für die Abgabe höherer Leistungen herstellbaren Wechselrichter mit Thyristoren ist die Frequenz der Ausgangsspannung in gewissen Grenzen einfacher auf unterschiedliche Werte einstellbar als bei den bisher verwendeten ίο statischen oder dynamischen Mittelfrequenzgeneratoren. Good results should be achieved if the heat conductor loop 7 with lower electrical energy Frequency is fed as a heating conductor loop. Even then it is entirely possible that the feed takes place from the same electrical generator; because with the now also for the delivery of higher Power manufacturable inverters with thyristors is the frequency of the output voltage in Certain limits can be set to different values more easily than with the previously used ones ίο static or dynamic medium frequency generators.

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: L Wärmebehandlungsverfahrcn zur Erhöhung der Torsionsdauerfestigkeit von Kurbelwellen, bei dem die Lagerflächen gegebenenfalls einschließlich der Hohlkehlen zwischen Lagerzapfen und Seitenwangen induktiv gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ober- flächenschicht (5) mit einer stetig von den Seitenwangen (2) zu der Öllochbohrung (4) zunehmenden Stärke induktiv auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und abgeschreckt wird.
2. Wärmebehandlungsverfahren nach An-Spruch L, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfiächenhärteschicht (5) in Richtung auf die Öllochbohrung (4) zu derart verstärkt wird, daß die Innenfläche der öllochbohrung (4) durchgehend mit einer Härteschicht versehen ist.L Heat treatment process to increase the torsional fatigue strength of crankshafts, in which the bearing surfaces, optionally including the fillets between the bearing journal and side cheeks, are inductively hardened, characterized in that a surface layer (5) with a continuous from the side cheeks (2) to the oil hole (4 ) increasing thickness is inductively heated to austenitizing temperature and quenched.
2. Heat treatment process according to claim L, characterized in that the surface hardness layer (5) in the direction of the oil hole (4) is reinforced in such a way that the inner surface of the oil hole (4) is continuously provided with a hardness layer. 3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Öllochbohrung (4) bis zu einer Tiefe des Ölloches induktiv gehärtet wird, die kleiner ist als der halbe Zapfendurchmesser.3. Heat treatment method according to claim 1, characterized in that the inner surface the oil hole (4) is inductively hardened to a depth of the oil hole that is smaller is than half the journal diameter. 4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei bei der Härtung der Kurbelwelle nacheinander wirksam werdende Induktoren (7. 8) unterschiedlicher Breite.4. Device for performing the method according to claims 1 to 3, characterized due to two inductors (7. 8) that take effect one after the other during the hardening of the crankshaft different width. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Heizleiterschleifen bzw. Induktoren (7, 8) bezüglich elektrischer Leistung, Frequenz und Heizdauer unabhängig voneinander steuerbar sind.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that both heating conductor loops or Inductors (7, 8) independently of one another with regard to electrical power, frequency and heating duration are controllable. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings