DE4317091A1

DE4317091A1 - Verfahren zur Festigkeitserhöhung einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE4317091A1
Application number: DE19934317091
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Kusebauch; Klaus Dr Ing Heck; Guenter Speth
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1994-11-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festigkeitserhöhung einer Kurbelwelle für eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine gemäß dem Ober begriff des Patentanspruches 1, sowie eine nach dem Verfahren herge stellte Kurbelwelle.

Beispielsweise bei V-6 Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit 90° Zylin derwinkel ist es zur Erzielung gleichmäßiger Zündabstände bekannt, die paarweise zusammengefaßten Hubzapfen in Umfangsrichtung um 30° zueinander zu versetzen. Um eine möglichst geringe Baulänge der Brennkraftmaschine verwirklichen zu können, sind häufig die zueinan der versetzten Hubzapfen unmittelbar aneinander angrenzend, wobei sich ein aus zwei Kreisabschnitten mit spitzen Kanten gebildeter Ver bindungsbereich ergibt (vgl. Fig. 2 der anliegenden Zeichnung, der kreuzschraffierte Bereich). Derartige Kurbelwellen sind festigkeits mäßig in diesen Verbindungsbereichen kritisch und bedürfen einer auf wendigen Bearbeitung und Oberflächenverfestigung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Festigkeitserhöhung einer derartigen Kurbelwelle vorzuschlagen, welches einfach durch führbar und gut beherrschbar ist und eine wirtschaftliche Fertigung derartiger Kurbelwellen ermöglicht. Ferner wird eine nach dem Verfah ren hergestellte Kurbelwelle vorgeschlagen, die fertigungstechnisch besonders günstig ist.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspru ches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar. Der Patentanspruch 8 schließ lich beschreibt eine fertigungstechnisch besonders günstige Kurbel welle.

Wie erkannt wurde, ist bei derartigen Kurbelwellen sowohl hinsicht lich der Biegefestigkeit als auch der Torsionsfestigkeit ein kriti scher Bereich in den Übergängen der stirnseitigen, freien Randberei che der einander benachbarten Hubzapfen zu sehen, die mit herkömm lichen Mitteln schwer beherrschbar sind. Überraschend hat sich ge zeigt, daß durch Umformen bzw. Prägen dieser Übergangsbereiche bevor zugt in eine flächige, abgerundet auslaufende Zone mit einfachen Mitteln eine Oberflächenverfestigung erzielbar ist, die zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung der Kurbelwelle führt.

Bevorzugt wird durch eine einmalige, ggf. pulsierende Druckausübung je Übergangsbereich mit einem abgerundeten Prägestempel mit einer Kraft von ca. 15.000 N gearbeitet, wobei bei Verwendung eines lei stenförmigen Prägestempels dieser schräg zwischen die beiden Hubzap fen angesetzt wird. Dies ermöglicht eine schnelle, durch die Druck pulsation materialschonende und wenig aufwendige Bearbeitung bei geringem Vorrichtungsaufwand. Dabei kann die Kurbelwelle zunächst fertig bearbeitet und beispielsweise durch Nitrieren der Lagerflächen und Rollieren der Radienübergänge von den Hubzapfen zu den Kurbelwan gen oberflächenverfestigt werden und dann als letzter Bearbeitungs schritt eine Umformung der beschriebenen Übergangsbereiche stattfin den.

Gemäß Patentanspruch 8 wird schließlich eine Kurbelwelle vorgeschla gen, deren Fertigung dadurch vereinfacht ist, daß zur Oberflächenver festigung der Hubzapfen nur ein Rollieren der Übergangsradien von den Hubzapfen zu den Kurbelwangen und ein verfahrensgemäßes Prägen der beschriebenen Übergangsbereiche durchgeführt wird. Dabei werden Fest igkeitswerte erzielt, die einer weit aufwendigeren Oberflächenverfe stigung herkömmlicher Art entsprechen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Kurbelwelle für eine V-6 Hubkolben-Brennkraftmaschine mit 30° zueinander versetzten Hubzapfen; und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II durch den einen Hubzap fen der Kurbelwelle nach Fig. 1.

Die Figuren zeigen abschnittsweise eine Kurbelwelle 10 für eine V-6 Hubkolben-Brennkraftmaschine mit jeweils zwei um 30° in Umfangsrich tung zueinander versetzten und unmittelbar einander benachbarten Hub zapfen 12, 14, die über Kurbelwangen 16, 18 mit den Hauptlagerzapfen 20, 22 verbunden sind. Dabei sind Übergangsradien 24, 26 zwischen den Hubzapfen 12, 14 und den Kurbelwangen 16, 18 und teilkreisförmige Über gangsradien 28, 30 zwischen den Hubzapfen 12, 14 vorgesehen.

Der Verbindungsbereich 32 (vgl. Fig. 2, kreuzschraffiert) der beiden Hubzapfen 12, 14 entspricht somit zwei zusammengesetzten Kreisab schnitten mit Spitzen 34, 36, die zugleich den Übergangsbereich (vgl. Fig. 1) der stirnseitigen freien Randbereiche 38, 40 der Hubzapfen 12, 14 bilden.

Diese spitzen Übergangsbereiche 34, 36 sind mit einem Prägestempel 42 (in Fig. 1 gestrichelt dargestellt) zu einer abgerundeten Fläche 44, 46 umgeformt bzw. oberflächenverdichtet.

Bei der Herstellung der Kurbelwelle 10 wird nach der entsprechenden spanenden Bearbeitung zur Oberflächenverfestigung wie folgt verfah ren:

Zunächst werden mit einem nicht dargestellten Rollierwerkzeug die Übergangsradien 24, 26 von den Hubzapfen 12, 14 zu den Kurbelwangen 16, 18 oberflächenverfestigt bzw. rolliert.

Anschließend werden durch Einbringen der Kurbelwelle 10 in ein Präge werkzeug mit leistenförmigem Prägestempel 42 und einem nicht darge stellten gegenhaltenden Werkzeug die Übergangsbereiche 34, 36 zu den flächigen Bereichen 44, 46 umgeformt. Dabei wird auf den schräg um einen Winkel α von 45° zur Längsachse 48 der Kurbelwelle 10 verdreh ten Prägestempel 42 eine Kraft F in radialer Richtung von ca. 15.000 N pulsierend (auf- und abschwellend) aufgebracht. Die Umformfläche 50 des Prägestempels 42 ist in ihrer Längsrichtung konkav gestaltet, mit gerundeten Übergängen (im Querschnitt) zur Erzielung einer günstigen Spannungsverteilung. Die Umformung wird durch einmalige Druckausübung an den Übergangsbereichen 34, 36 ausgeführt.

Das Umformen der Übergangsbereiche 34, 36 kann anstelle des beschrie benen Prägestempels 42 auch durch ein anderes, oberflächenverfesti gendes Werkzeug, z. B. ein Rollierwerkzeug, durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Festigkeitserhöhung einer Kurbelwelle für eine mehr zylindrige Hubkolbenmaschine mit zumindest zwei einander unmittel bar benachbarter, zueinander in Umfangsrichtung versetzter Hubzap fen, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Übergangsberei che (34, 36) der beiden Hubzapfen (12, 14) durch Umformen oberflä chenverfestigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Über gangsbereiche (34, 36) flächig umgeformt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung durch einmalige Druckausübung je Übergangsbereich mit einem abgerundeten Prägestempel (42) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prägestempel (42) mit konkaver Umformfläche (50) verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der leistenförmige Prägestempel (42) schräg zu einer Kurbelwellen- Längsachse (48) angesetzt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubzapfen (12, 14) und/oder deren Über gangsradien (24, 26, 28, 30) vor der Umformung oberflächenverfestigt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß auf den Prägestempel (42) ein pulsierender Druck ausgeübt wird.

8. Kurbelwelle für eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine mit zumin dest zwei einander unmittelbar benachbarter, zueinander in Um fangsrichtung versetzter Hubzapfen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn seitigen Übergangsbereiche (34, 36) der beiden Hubzapfen (12, 14) durch Prägen und deren Übergangsradien (24, 26 und/oder 28, 30) durch Rollieren oberflächenverfestigt sind.