Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für Kraftfahrzeugmotoren durch Härten der Kurbelwellen in den gefährdeten Bereichen der Übergänge vom Lagerzapfen zur Wange oder vom Lager zum Lager.

Aufgrund ihrer Form können bei Kurbelwellen in den Radien, d.h. in den Übergängen der Lagerzapfen zu den Wangen, Druckeigenspannungen dadurch erzeugt werden, dass man die Kurbelwelle mit einer Zugkraft beaufschlagt. Dabei werden Verformungen der Wange und der Lagerzapfen herbeigeführt. Solche Verformungen entstehen sowohl an den Hauptlagerzapfen als auch an den Hublagerzapfen und den jeweils angrenzenden Wangen der Kurbelwelle. In diesem Zusammenhang ist aus der DE 100 52 753 Al ein Gerät zum Festwalzen von Kurbelwellen bekannt, mit dessen Hilfe zusätzliche äußere Beanspruchungen in Richtung der im Betrieb auftretenden Belastung der Kurbelwelle während des Festwalzens der Radien oder Einstiche der Kurbelwelle aufgebracht werden können. Demnach ist es bekannt, während des Festwalzens einer Kurbelwelle zusätzlich von außen her Zug- und/oder Biegebeanspruchungen auf die Kurbelwelle aufzubringen.

Die gefährdeten Bereiche einer Kurbelwelle liegen bekanntlich in den Übergängen zwischen den Lagerzapfen und den angrenzenden Wangen. Diese Übergänge können sowohl als Einstiche als auch als einfache Radien ausgebildet sein. Den gefährdeten Bereichen gilt die besondere Aufmerksamkeit der Fachleute, die sich mit der Erhöhung der Festigkeit von Kurbelwellen beschäftigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein vereinfachtes Verfahren vorzuschlagen, die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für PKW-Motoren zu erhöhen. Das Verfahren soll einfach in seiner Anwendung und darüber hinaus wirtschaftlich sein.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Erhöhen der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen vorgeschlagen, bei welchem - die Kurbelwelle in Umdrehung versetzt wird, - in den gefährdeten Bereichen eine Zugspannung erzeugt wird, während - die gefährdeten Bereiche der Kurbelwelle mit einem Härteverfahren von geringer Eindringtiefe und geringer Härtebreite gehärtet werden und - die gefährdeten Bereiche nach dem Härten wieder entlastet werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 offenbart.

Es wurde gefunden, dass es ausreicht, eine zu härtende Kurbelwelle während des Härtungsprozesses auf Zug zu beanspruchen. Dies gilt nur für Kurbelwellen, bei denen neben jedem Pleuel zwei Hauptlager sind. Unter der Zugbeanspruchung erfährt die Kurbelwelle eine Längenänderung. Die Längenänderung im Zusammenhang mit dem vorliegenden Verfahren wird in einer Größenordnung festgelegt, welche der Längenänderung der Kurbelwelle durch das Festwalzen entspricht. Diese Größenordnung der Längenänderung wird empirisch ermittelt, weil sie von Kurbelwelle zu Kurbelwelle unterschiedlich sein kann.

Anstelle einer Zugbeanspruchung, welche in Richtung der Längsachse der Kurbelwelle auf die Kurbelwelle aufgebracht wird, kann die Kurbelwelle abschnittsweise auch aufgebogen werden. Dabei entstehen in den kritischen Bereichen der Kurbelwelle ebenfalls Zugspannungen. Die Zugspannungen entstehen an der Oberfläche des Übergangs zwischen einem Lagerzapfen und der angrenzenden Wange und sind nur wenige Millimeter tief.

Besonders vorteilhaft ist das Laserhärten der Kurbelwelle, während diese um ihre Hauptdrehachse gedreht wird. Eine derartige Behandlung ist für die meisten gängigen Kurbelwellen geeignet, einschließlich der Kurbelwellen von V8-Motoren. Für andere Motorenarten, beispielsweise für V6-Motoren und Split-Pin-Kurbelwellen, wird das Aufbringen von Zugkräften oder das abschnittsweise Verbiegen der Kurbelwelle experimentell oder mit Hilfe einer statischen Berechnung (Methode finiter Elemente) von Fall zu Fall festgelegt.

Das Verfahren hat sich bei Härteverfahren bewährt, welche eine geringe Eindringtiefe und Breite haben und nur ein kleines Materialvolumen gleichzeitig erwärmen. Eine konventionelle induktive Härtung würde gleichzeitig den gesamten Bereich im Radiusübergang erwärmen. Dabei würde sich die mechanisch aufgebrachte Zusatzspannung auf das Maß abbauen, welches der Streckgrenze bei der Temperatur entspricht. Ein solches Verfahren ist daher unbrauchbar. Beim Laserhärten tritt natürlich der gleiche Effekt auf. Da aber der erwärmte Bereich klein gegenüber dem mit Spannung behafteten Bereich ist, ist der Effekt vernachlässigbar. Bevorzugt wird eine Eindringtiefe in der Größenordnung von 1 mm unterhalb der zu härtenden Oberfläche, sei es ein Einstich oder ein Radius. Die Breite der Härtung beträgt in diesem Bereich etwa 5 mm. Als besonders geeignet hat sich hierbei das Härten mit Laserstrahlen erwiesen, da mit Hilfe dieses Härteverfahrens sowohl die Eindringtiefe als auch die Härtebreite mit großer Genauigkeit fein dosiert werden können. Nach dem Abschluss der Härtung oder Vergütung der gefährdeten Bereiche der Kurbelweile werden die Zugkräfte weggenommen. Die Wegnahme der äußeren Kräfte bewirkt, dass in den gehärteten gefährdeten Bereichen Druckspannungen entstehen, welche die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöhen. Diese Druckspannungen entstehen zusätzlich zu den Druckspannungen, die sich im gehärteten Bereich aufgrund des größeren Volumens des Martensitgefüges gegenüber dem ferritisch perlitischen Gefüge ergeben.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Es zeigt die einzige Figur in stark vereinfachter, schematischer und nicht maßstäblicher Darstellung eine Kurbelwelle in der Seitenansicht.

Gezeigt wird die Kurbelwelle 1 für einen Vierzylindermotor zum Antrieb eines PKW. Die Kurbelwelle 1 ist in den Hauptlagerzapfen 2, 3, 4, 5 und 6 im Motorblock (nicht gezeigt) eines PKW-Motors drehbar gelagert. Die Hauptdrehachse 15 verläuft in Richtung der beiden Pfeile 7 und 8. Die Pleuel (nicht gezeigt) des Motors sind jeweils in den Hublagerzapfen 9, 10, 11 und 12 drehbar gelagert. Hauptlagerzapfen 2 bis 6 und Hublagerzapfen 9 bis 12 sind jeweils über Wangen 13 miteinander verbunden. Am Übergang zwischen einem Lagerzapfen 2 bis 6 bzw. 9 bis 12 und einer angrenzenden Wange 13 befindet sich jeweils ein gefährdeter Bereich, der sich über einen Teil des Umfangs des jeweiligen zylindrischen Lagerzapfens erstreckt. Der gefährdete Bereich ist entweder ein Einstich (nicht gezeigt), durch welchen die Lagerzapfen 2 bis 6 bzw. 9 bis 12 an die jeweils benachbarten Wangen 13 anschließen oder es ist ein einfacher Radius. Im vorliegenden Beispiel sind die gefährdeten Bereiche jeweils durch kleine Kreise 14 mit vergrößerter Strichstärke dargestellt. Diese gefährdeten Bereiche 14 werden gehärtet bzw. gehärtet und angelassen, d.h. vergütet. Während des Härtens wird auf die Kurbelwelle 1 eine Zugkraft aufgebracht, wie sie durch die Pfeile 7 und 8 dargestellt wird. Durch das Aufbringen der Zugkräfte 7 und 8 entstehen in den gefährdeten Bereichen 14 jeweils Zugspannungen. Diese Zugspannungen sind umso größer, je ferner der jeweils gefährdete Bereich 14 von der Drehachse 15 der Kurbelwelle 1 liegt. Dies gilt für die Übergänge der Hublagerzapfen 9 bis 12. Durch das Aufbringen von Zugkräften 7 und 8 erfährt die Kurbelwelle 1 eine Längenänderung. Die Längenänderung liegt in einer Größenordnung, welche der Längenänderung entspricht, wenn die gefährdeten Bereiche 14 der Kurbelwelle 1 durch Festwalzen verfestigt worden wären. Diese Längenänderung ist von Kurbelwelle zu Kurbelwelle unterschiedlich und wird experimentell vorab festgelegt.

Nach dem Härten unter Zugspannung werden die Zugkräfte 7 und 8 von der Kurbelwelle 1 gelöst. Beim Erkalten der gehärteten gefährdeten Bereiche 14 nach dem Härten entsteht in diesen gefährdeten Bereiche 14 eine Druckspannung, welche dazu geeignet ist, die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle 1 wirksam zu erhöhen. Selbstverständlich kann die nach dem vorstehenden Verfahren behandelte Kurbelwelle im Anschluss an das Härten auch noch angelassen, d.h. vergütet und/oder durch Festwalzen behandelt werden.

Neben der Anwendung auf Kurbelwellen kann das beschriebene Verfahren auch auf andere Bauteile angewendet werden, die in ihrer Struktur zylindrische Elemente aufweisen, welche über Radien oder Einstiche in andere geometrische Elemente übergehen. Als Beispiel wird hier eine analoge Bearbeitung von Achsschenkeln genannt. Auf den Achsschenkelbolzen wird zunächst eine Zugkraft aufgebracht, während er zugleich in seinem Übergang zur Halterung gehärtet wird, um anschließend in dem vom Laserstrahl gehärteten Bereich durch Festwalzen verfestigt zu werden. Bezugszeichenliste

1 Kurbelwelle 2 Hauptlagerzapfen 3 Hautplagerzapfen 4 Hauptlagerzapfen 5 Hauptlagerzapfen 6 Hauptlagerzapfen 7 Pfeil 8 Pfeil 9 Hublagerzapfen 10 Hublagerzapfen 11 Hublagerzapfen 12 Hublagerzapfen 13 Wangen 14 gefährdeter Bereich 15 Drehachse