DE3737601A1 - Verfahren zur herstellung von aufgebauten kurbelwellen durch aufweiten der zapfen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Kurbelwellen für kleinere Kolbenmaschinen, insbesondere Otto- und Diesel-Motoren werden oft aus Guß oder im Gesenk geschmiedet einstückig hergestellt; die Zapfen werden anschließend mechanisch bearbeitet und schließlich gehärtet. Dadurch, daß diese Arbeiten an dem ansonsten fertigen Werkstück ausgeführt werden müssen, sind sie verhältnismäßig aufwendig. Kurbelwellen für größere Motoren werden dagegen aus Einzelteilen aufgebaut, wie sie unter Berücksichtigung der fertigungstechnischen Möglichkeiten zur Verfügung stehen; typische Lösungen zeigen die DE-B-16 25 579, wo die Trennungslinie zwischen den Einzelteilen durch die Wangen verläuft und die DE-B-20 23 364, wo die Zapfen geteilt sind. Durchweg werden die Einzelteile durch Schweißen miteinander verbunden; dies gilt selbst dann, wenn die Kurbelwelle aus aneinandergesetzten Blechpreßlingen aufgebaut werden soll (DE-C-4 98 170). Dem Fachmann ist auch bekannt (DE-C-8 48 728), daß die Kurbelwelle zur Gewichtsersparnis hohl ausgeführt werden kann und zu Zapfen und Wangen jeweils unterschiedliche Werkstoffe genommen werden können, deren jeder den spezifischen, unterschiedlichen Belastungen besser gewachsen ist, denen diese Bauteile ausgesetzt sind. Aus der DE-A-19 22 488 ist der Einsatz einer der Verbesserung der Haftung zwischen den durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbundenen Einzelteilen dienende Zwischenschicht bekannt. Die DE-A-19 51 097 zeigt, daß vor dem Zusammenbau der Einzelteile auf eines derselben (hier den Lagerzapfen) ein fertiges Antriebselement (hier ein Zahnrad) aufgeschoben und befestigt werden kann. Der gleichen Schrift kann der Fachmann auch den Vorschlag entnehmen, die Einzelteile an den Trenn­ flächen so auszubilden, daß sie vor dem Verschweißen ineinander­ geschoben werden können, um eine Montagehilfe zu bieten.

Zur Verbindung der Kurbelwelle mit den Kolben werden durchweg geteilte Pleuel verwendet, die gleichfalls verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung sind und besondere Aufmerksamkeit bei der Montage erfordern, um einen einwandfreien Rundlauf der Zapfen zu gewährleisten; dies besonders, wenn statt der vielfach verwendeten Gleitlager an dieser Stelle Wälzlager eingesetzt werden sollen. Das Befestigen von Rohren in Bohrungen anderer Teile durch Aufweiten ersterer ist aus dem Wärmetauscherbau bekannt, wobei sowohl mechanische als auch hydraulische Aufweitvorrichtungen Verwendung finden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von aufgebauten Kurbelwellen, bei denen für die einzelnen Teile Werkstoffe gewählt werden können, die den zu erwartenden unterschiedlichen, spezifischen Belastungen besonders angepaßt sind. Die Einzelteile sollen dabei vor dem Fügen fertig bearbeitet sein, so daß bis auf ein Richten und Feinwuchten keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kurbelwellen sollen mit einfacher anzubringenden Schmierkanälen versehen sein und ggf. auch gute Notlaufeigenschaften aufweisen. Durch den mit der Herstellung gleichzeitig einhergehenden Einbau von Antriebselementen, wie Lagern und Pleueln sollen diese zugleich vereinfacht und in ihren Laufeigenschaften verbessert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angegebenen Schritte. Durch die elastische Verformung der Wangen federn diese nach beendetem Aufweitvorgang auf die Zapfen zurück, wodurch eine Verbindung geschaffen wird, die auch den hohen zu übertragenden Momenten standhält. Eine stoff- oder formschlüssige Verbindung ist dann in der Regel nicht mehr erforderlich.

Der Aufweitvorgang verlangt die Wahl verhältnismäßig duktiler Werkstoffe für die Zapfen. Diese können in herkömmlicher Weise einer anschließenden Oberflächenhärtung unterzogen werden, doch erscheint ein Vorgehen nach dem 2. Anspruch vorteilhafter. Für die Lagerbuchsen kann dann ein im Hinblick auf seine Lager­ eigenschaften, z. B. seine Härte optimierter Werkstoff gewählt werden. Der Aufweitvorgang der Zapfen wird so durchgeführt, daß die Lagerbuchsen zwar in ihrer Lage fixiert, doch keinen oder nur geringen elastischen Verformungen unterzogen werden.

Entsprechend der im 3. Anspruch vorgeschlagenen Ausgestaltung der Erfindung können bereits vor dem Fügen ungeteilte Wälzlager auf die Zapfen aufgebracht werden. Da das Fügen ohne Wärmeeinwirkung und ohne die auch bei fortschrittlichen Schweißverfahren nicht ganz zu beseitigende Gefahr des Auswurfes von Material aus der Schweißstelle abläuft, werden die Lager hierbei nicht gefährdet.

Entsprechend dem im 4. Anspruch gemachten Vorschlag können, ggf. gleichzeitig mit den oben vorgeschlagenen Wälzlagern auch ungeteilte Pleuel auf die Zapfen aufgeschoben werden. Da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kurbelwellen soweit verbessert sind, daß ihre Lebensdauer nicht mehr der begrenzende Faktor für die Dauerhaftigkeit der ganzen Maschine darstellt, kann auf die dann fehlende Reparierbarkeit durch Auseinandernehmen der Pleuel verzichtet werden.

Die im 5. Anspruch vorgeschlagene Materialwahl für die Lagerbuchsen gewährleistet bei Verwendung von Gleitlagern eine gleichmäßige, gut dosierbare Schmierung der Lagerflächen. Das Sintermaterial bietet darüber hinaus gemäß dem 6. Anspruch die Möglichkeit, gewisse Mengen an einem Festschmierstoff zu speichern, der bei Ausfall der eigentlichen Ölversorgung den Lagern gewisse Notlaufeigenschaften vermittelt. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 8. Anspruch kann zwischen den zu fügenden Flächen der Zapfen und Wangen eine Dichtstoffschicht vorgesehen sein, um die zweckmäßigerweise als durchgehende Nuten ausgeführten Schmierölkanäle nach den Enden abzudichten. In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens gemäß dem 9. Anspruch wird eine Dichtschicht aus Weichmetall, z. B. Kupfer verwendet.

In einer im 10. Anspruch definierten Variante des Verfahrens werden die Zapfen über ihre gesamte Länge aufgeweitet und die Lagerbuchsen ebenfalls elastisch verformt. Es wird ein besonders inniger Verbund zwischen Lagerbuchsen und Zapfen erreicht. In einer Abwandlung dieses Verfahrens gemäß dem 11. Anspruch wird durch das Einpressen der Lagerbuchsen in die dafür vorgesehenen Bohrungen der Wangen eine vorläufige, als Montagehilfe dienende Verbindung geschaffen, die durch das anschließende Aufweiten des Zapfens abgelöst wird.

Diese Verfahrensart eignet sich weniger für Lagerbuchsen aus verhältnismäßig hartem und sprödem Werkstoff, da dessen Oberfläche bei elastischer Aufweitung zur Rißbildung neigt. Hierfür bietet sich die Variante gemäß dem 12. Anspruch an, nach der nur diejenigen Teile der Lagerbuchsen mit aufgeweitet werden, die in die Bohrungen der Wangen hineinragen und deren Oberfläche somit nicht als Lagerfläche benötigt wird. Diese Fläche könnte z. B. bei der vorhergehenden Härtung der Lagerbuchsen ausgespart werden. Die Verwendung von mit Bunden versehenen Lagerbuchsen gemäß dem 13. Anspruch schafft sowohl einen Anschlag beim Einführen in die Bohrungen der Wangen und versteift sie darüber hinaus so, daß die Auswirkungen der elastischen Verformung an den Enden sich nicht dem mittleren, als Lager genutzten Teil mitteilen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar

Fig. 1 ausschnittsweise im Längsaxialschnitt,

Fig. 2 in einem Ausschnitt aus der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 3 einen anderen Ausschnitt im Längsaxialschnitt.

Die Kurbelwelle besteht aus einer Anzahl von Wangen 1, die in bezug auf ihre konstruktive Ausgestaltung und den Werkstoff so optimiert werden, daß das günstigste Verhältnis von Gewicht zu Biegesteifigkeit erreicht wird. Die Wangen 1 sind mit Bohrungen versehen, in die Lagerzapfen 2 aus einem besonders duktilen Material mit geringem Spiel hineingesteckt werden. Anschließend werden sie mit Hilfe einer teils aufgebrochen gezeichneten Sonde 3 aufgeweitet, die über einen Kanal 31 mit Druckfluid versorgt wird, das in durch Dichtungen 32 abgegrenzte Aufweitbereiche austritt und die Lagerzapfen 2 plastisch verformt, die angrenzenden Teile der Wangen 1 jedoch nur elastisch. Vor dem Fügen sind auf die Lagerzapfen 2 Lagerbuchsen 4 aus einem hierfür besonders geeigneten, z. B. gehärteten Werkstoff aufgebracht worden. Die Lagerbuchsen 4 können (siehe Fig. 3) aus einem porösen Sintermaterial hergestellt sein, das mit Festschmierstoff getränkt sein kann. In jedem Falle erfolgt eine ausreichende Schmierstoffversorgung über Bohrungen 11 in den Wangen 1 (die vor dem Zusammenbau ohne Schwierigkeiten vorzunehmen sind) und Schmierkanälen 21 in den Lagerzapfen 2, die hier der Einfachheit halber die Form von eingefrästen Nuten haben können. Ebenfalls vor dem Zusammenfügen sind auf die Lagerzapfen 2 ungeteilte Pleuelstangen 5 aufgeschoben worden. Die die Vermittlung der Bewegung zwischen den beiden Teilen übernehmenden Lager können als Gleitlager 6 oder Wälzlager 7 ausgeführt sein, die beide ebenfalls vor dem Zusammenfügen der Wangen 1 und Lagerzapfen 2 auf letztere aufgebracht wurden. Als Montagehilfe vor dem Aufweiten können die (eventuell) dünner gehaltenen Enden der Lagerbuchsen 4 mit in die Bohrungen der Wangen 1, hier aber mit Preßsitz eingeführt worden sein. Damit die durch das Aufweiten der Zapfen hervorgerufene elastische Verformung der Lagerbuchsen 4 nur auf das verjüngte Teil 42 beschränkt bleibt, können auch noch Verstärkungen in Form von Bunden 41 vorgesehen sein. Zwischen die Wangen 1 und die Zapfen 2 kann eine Dicht­ schicht 8, z. B. aus Kupfer, Gummi oder Kunststoff gelegt werden, die diese Verbindung gegenüber den Schmierkanälen 11, 21 abdichtet.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen für Kolben­ maschinen aus einzeln hergestellten und anschließend gefügten Wangen (1) und Zapfen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die als Hohlzylinder ausgeführten Zapfen (2) durch Aufweiten plastisch verformt und in den entsprechenden Bohrungen der Wangen (1) zur Anlage gebracht, sowie letztere elastisch verformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Zapfen (2) vor dem Fügen hohlzylindrische Lagerbuchsen (4) aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur Teile der Lagerbuchsen (4) mit den Zapfen (2) verformt werden, die außerhalb der Lagerfläche liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerbuchsen (4) verwendet werden, die außerhalb der Lagerflächen mit Bunden (41) versehen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerbuchsen (4) verwendet werden, die an ihren Enden eine verringerte Wandstärke (42) aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Lagerbuchsen (4) vor dem Fügen Gleit- (6) bzw. Wälzlager (7) aufgebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Zapfen (2) bzw. die Gleit- (6) oder Wälzlager (7) vor dem Fügen ungeteilte Pleuel­ stangen (5) aufgebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wangen (1) und Zapfen (2) oder Lagerschalen (4) mit aufeinander abgestimmten Schlüssel­ einbuchtungen bzw. -vorsprüngen versehen werden, die nur eine Orientierung der Teile zueinander zulassen.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbuchsen (4) mit Preßsitz in die Bohrungen der Wangen (1) eingeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbuchsen (4) für die Dauer des Fügens von Wangen (1) und Zapfen (2) unterkühlt werden.