Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Biegefestigkeit von Kurbelwel- len mit gehärteten Übergangsradien durch Festwalzen der Übergangsradien. Eine mögliche praktische Anwendung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Biegefestigkeit von Kurbeiwellen, indem man wenigstens einen Umfangsab- schnitt des Übergangsradius zwischen einem Lagerzapfen und einer jeweils angrenzenden Wange einer Kurbelwelle härtet und anschließend den gehärteten Umfangs- abschnitt mit einem Festwalzwerkzeug festwalzt.

Ein einschlägiges Verfahren ist aus der WO 2006 / 119 944 A1 bekannt. Aus dieser Schrift ist ein Verfahren zum Härten von Übergangsradien einer Kurbelwelle bekannt, bei dem wenigstens ein Teil der Übergangsradien an Lagersteüen der Kurbelwelle durch einen Härteprozess mit einer induktiven Härtung durch einen Induktor, der wenigstens teilweise die Übergangsradien umfasst, gehärtet wird. Nach dem Härteprozess wird wenigstens ein Teil der Übergangsradien durch Festwalzen nachverfestigt.

Beim Induktionshärten ist die Oberfläche des Übergangsradius nur durch die Werkstofffestigkeit und die kleinen Druckeigenspannungen der Oberfläche vor Anrissen geschützt. Anrisse führen aber stets zum Bruch der Kurbelwelle bei Biegebelastung. Infolgedessen ist ein großer Übergangsradius, Ausführung mit glatter kerbfreier Oberfläche, ohne zum Beispiel Schleifbrand, erforderlich. Dies bedingt Sorgfalt bei der Fertigung und erhöhte Fertigungskosten. Das Induktionshärten selbst kann die Druckeigenspannungen in der Kurbelwelle nicht steuern. Die entsprechenden Druckeigenspannungen ergeben sich, stark vereinfacht ausgedrückt, aus dem Härtebereich und der Steife der umgebenden Bauteile.

Die Wirkungsweise des induktiven Härtens des Übergangsradius beruht auf einer Erhöhung der Werkstofffestigkeit durch den Härteprozess und den Aufbau von Druckeigenspannungen an der gehärteten Stelle. Die Druckeigenspannungen entstehen durch die nur lokale Erwärmung des Materials der Kurbelwelle im Härtebereich und die Volumenzunahme des Werkstoffs durch die martensitische Umwandlung bei rascher Abkühlung. Würde man eine Kurbelwelle als Ganzes erwärmen und durchhärten, so dass sie eigenspannungsfrei wird, würde man deutlich niedrigere Dauerfestigkeiten finden.

Die durch das Festwalzen erzeugten Druckeigenspannungen beruhen darauf, dass im Übergangsradius ein gewisses Materialvolumen verdrängt wird, sich die umgebenden Bauteile aufbiegen und durch ihre Rückwirkung die Druckeigenspannungen erzeugen. Das Festwalzen selbst kann die Materialfestigkeit der festgewalzten Zone nur begrenzt durch Kaltverfestigung erhöhen, kann aber den Aufbau von Druckeigenspannungen über die Festwalzkräfte steuern. Bei der Biegebeanspruchung der Kurbelwelle entstehen oberhalb einer Grenzbelastung Risse im Übergangsradius, die ab einer Tiefe von zum Beispiel 0,8 mm über eine unendliche Zahl von Lastwechseln stehen bleiben. An dieser Stelle verhindern die Druckeigenspannungen die Fortentwicklung des Risses. Diese Charakteristik des Festwalzverfahrens macht das Verfahren unabhängig von Oberflächenschäden und der Schärfe des Kerbradius der Kurbelwelle. Man kann an einer festgewalzten Kurbelwelle zum Beispiel mit einem Übergangsradius von 1 ,1 mm die gleiche Biegedauerfestigkeit wie an einer Kurbelwelle mit einem Übergangsradius von 1 ,9 mm erzielen. Kleine Übergangsradien bedeuten allerdings bei gegebenem Abstand der Lagerzapfen größere Tragflächen für Pleuellager und Hauptlager; eine Eigenschaft, die bei immer höheren Verbrennungsdrücken von Motoren entscheidend ist.

Aus der DE 197 40 290 B4 ist ein „Verfahren zum Festwalzen der Oberfläche von Bauteilen, insbesondere von rotationssymmetrischen oder nicht-rotationssymmetri- sehen Drehteilen" bekannt. Dabei wird das Bau- bzw. Drehteil an den durch Festwalzen zu bearbeitenden Stellen unter elastischer Vorspannung bearbeitet. Die elastische Vorspannung besteht insbesondere aus einer Biege- und/oder Zugvorspannung. Auf diese Weise wird auch das Festwalzen von hochfesten Werkstoffen ermöglicht. Darin beschränkt sich allerdings die bekannte Lehre und es bleibt offen, ob hiermit hochfeste Werkstoffe gemeint sind, die durch einen metallurgischen Prozess erzeugt wurden und daher verhältnismäßig teuer sind, oder ob es sich um preiswerte Werkstoffe handelt, die aufgrund von thermischen Prozessen, wie z.B. das Härten oder Vergüten, ihre erhöhte Festigkeit erlangt haben. Auf letztere zielt die vorliegende Erfindung ab. Aus der WO 2005 / 063 442 A1 ist ein „Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien" bekannt. Danach ist es bekannt, die Randschichten der Übergangsradien mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 1 kW/cm ² bis zu einer Tiefe von 1 mm bei einer Temperatur von etwa 900 ⁰ C und anschließender Abkühlung bis annähernd auf Raumtemperatur zu härten, dieselben gehärteten Übergangsradien nach dem Härten innerhalb kurzer Anlasszeit mit einem Laserstrahl auf eine Anlasstemperatur von etwa 300 ⁰ C anzulassen und nach dem Anlassen mit Hilfe von Festwalzwerkzeugen festzuwalzen. Bekanntlich versteht man unter dem Begriff „Vergüten" das Härten und anschließende Anlassen von Kohlenstoffstählen. Neben dem Laserhärten werden in der bekannten Schrift auch das Flammhärten, das Einsatzhärten oder das Induktivhärten genannt.

Aus der DE 100 52 753 A1 ist ein Gerät zum Festwalzen von Kurbelwellen bekannt. Dabei handelt es sich um eine Einrichtung zum Aufbringen einer zusätzlichen äußeren Beanspruchung in Richtung der im Betrieb auftretenden Belastung der Kurbelwelle während des Festwalzens der Radien oder Einstiche. Nach dieser Schrift ist es bekannt, auf die Kurbelwelle während des Festwalzens eine Zugkraft, eine Druckkraft oder eine Biegekraft aufzubringen. Nach dem bekannten Verfahren geschieht dies allerdings bei ungehärteten Kurbelwellen.

Beim Festwalzen der Übergangsradien von gehärteten Kurbelwellen werden die Festwalzwerkzeuge extrem stark beansprucht. Derartig extrem stark beanspruchte Festwalzwerkzeuge haben eine entsprechend geringere Standzeit.

Daraus ergibt sich die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, den Festigkeitsmechanismus von festgewalzten Kurbelwellen auch auf Kurbelwellen zu übertragen, deren Übergangsradien gehärtet sind. Daneben soll die Beanspruchung der Festwalzwerkzeuge verringert und dadurch deren Standzeit erhöht werden.

Es wurde nun gefunden, dass man die Aufgabe an gehärteten Kurbelwellen dadurch lösen kann, dass man durch das Festwalzen in den Übergangsradien Druckeigenspannungen in der Weise bzw. von solcher Höhe aufbaut, dass die Druckeigenspannungen zum Stehenbleiben der bei Biegebelastung der Kurbelwelle oberhalb eines Grenzwertes in einem Übergangsradius entstehenden Risse führt. Bei einer praktischen Anwendung dieses Verfahrens bringt man während des Festwalzens der gehärteten Übergangsradien gleichzeitig eine äußere Last auf die Kurbelwelle auf. Die Zugkraft erzeugt in den festzuwalzenden Übergangsradien eine Zugspannung, die das Festwalzen stark erleichtert. Zwar wird die Zugspannung durch die Zugfestigkeit des Werkstoffs in den Übergangsradien begrenzt, doch kann auf diese Weise eine deutliche Verringerung der Festwalzkraft erreicht werden.

Wenn die kritischen Zonen einer Kurbelwelle wie häufig im Übergangsradius zwischen Hublagerzapfen und Wange liegen, ist eine Zugbeanspruchung der Kurbelwelle am äußeren Hauptlagerzapfen, am Flansch und am Zapfen geeignet, da diese Beanspruchung die höchsten Zugspannungen in der kritischen Zone erzeugt, während die Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und Wange nur kleinere Zugspannungen aufweisen. Bei anderen kritischen Zonen kann eine Biegebelastung der Kurbelwelle über Querkräfte vorgesehen werden, die an einem Hauptlagerzapfen angreifen.

Die am weitesten verbreitete Art des Festwalzens ist das Walzen mit sogenannten Festwalzrollen. Daneben ist aber aus der EP 1 779 972 A1 auch das Festwalzen von Kurbelwellen mit linearen Festwalzwerkzeugen bekannt. Im Fall der vorliegenden Erfindung soll das Festwalzen von Übergangsradien sowohl mit Hilfe von Festwalz- rollen als auch mit Hilfe von linearen Festwalzwerkzeugen durchgeführt werden.

Bei einer Kurbelwelle aus dem Werkstoff 42 CrMo4 beträgt die Härte im Übergangsradius ungefähr HRC 55. Auf eine derartige Kurbelwelle wird eine Zugkraft in der Größe von 60 kN aufgebracht. Unter dieser Zugkraft werden in den Übergangsradien der Hublagerzapfen der Kurbelwelle folgende Biegespannungen erreicht: Hublagerzapfen - dünne Wange 960 N/mm ² , Hublagerzapfen - dicke Wange 780 N/mm ² ; Hauptlagerzapfen zu Hublagerzapfen 500 N/mm ² bzw. 600 N/mm ² . Unter dieser Zugkraft verlängert sich die Kurbelwelle um etwa 0,86 mm. Eine solche Kurbelwelle wird dann mit einer Festwalzkraft von 11kN bis 12,5 kN je Festwalzrolle festgewalzt.

Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen jeweils verkleinert und nicht maßstäblich die

Fig. 1 eine Kurbelwelle in der Seitenansicht. Fig. 2 eine Split-Pin-Kurbelwelle in der Seitenansicht, Fig. 3 einen Längenabschnitt der Split-Pin-Kurbelwelle der Fig. 2 in einer anderen

Seitenansicht,

Fig. 4 das Festwalzen eines Hublagerzapfens in einem Ausschnitt, Fig. 5 das Festwalzen eines Hublagerzapfens mit einem linearen Festwalzwerkzeug, und

Fig. 6 ein Balkendiagramm zur Veranschaulichung der Vorteile des vorliegenden Festwalzverfahrens

Die Fig. 1 zeigte eine Kurbelwelle 1 , wie sie üblicherweise in einem 4-Zylinder- Verbrennungsmotor Verwendung findet. Mit ihren Hauptlagerzapfen 2 ist die Kurbelwelle 1 im Motorblock (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors drehbar gelagert. Bei dieser Anordnung ist die Kurbelwelle 1 um ihre Hauptdrehachse 3 drehbar. Zwischen den Hauptlagerzapfen 2 befinden sich die Hublagerzapfen 4, an denen die Pleuel (nicht gezeigt) angreifen. Die Verbindung zwischen Haupt- und Hublagerzapfen 4 wird jeweils durch Wangen 5 bzw. 6 hergestellt. Der Übergang zwischen jeweils einem Hauptlagerzapfen 2 und einer angrenzenden Wange 5 oder 6 ebenso wie zwischen einem Hublagerzapfen 4 und einer angrenzenden Wange 5 oder 6 ist jeweils als Übergangsradius 7 ausgebildet. Dabei kann ein Übergangsradius 7 aus einem Einstich bestehen, der zwischen einer Wange 5 oder 6 und einem Hauptlagerzapfen 2 oder einem Hublagerzapfen 4 eingebracht ist, wie das in den Fig. 4 und 5 angedeutet ist. Der Übergangsradius 7 zwischen einem Haupt- 2 oder Hublagerzapfen 4 und jeweils einer angrenzenden Wange 5 oder 6 kann aber auch als „tangierender Radius" ausgestaltet sein, wie das beispielsweise aus WO 2006 / 119 944, Fig. 6, bekannt ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es nicht von Bedeutung, ob ein Übergangsradius 7 als Einstich oder als tangierender Radius ausgebildet ist.

Die Fig. 2 zeigt in einer mit der Fig.1 vergleichbaren Seitenansicht eine Split-Pin- Kurbelwelle 8. Split-Pin-Kurbelwellen 8 werden bevorzugt in Verbrennungsmotoren eingebaut, deren Zylinder eine V-Anordnung aufweisen. Bei der Split-Pin-Kurbelwelle 8 gibt es auch wieder Hauptlagerzapfen 9, über welche die Split-Pin-Kurbelwelle 8 im Motorblock (nicht gezeigt) um ihre Hauptdrehachse 10 drehbar gelagert ist. Zwischen den Hauptlagerzapfen 9 sind jeweils Wangen 11 und 12 vorgesehen, die zugleich auch die Hublagerzapfen 13 seitlich begrenzen. Im Gegensatz zu den Hublagerzap- fen 4 der in der Fig. 1 dargestellten Kurbelwelle 1 bestehen die Hublagerzapfen 13 der Split-Pin-Kurbelwelle 8 aus jeweils zwei Lagersitzen 14 und 15. Die Lagersitze 14 und 15 sind nicht über ihren gesamten Querschnitt miteinander verbunden, wie man aus der Fig. 2 schließen könnte, sondern hier stellt ein Zwickel 16 die Verbindung der Lagersitze 14 und 15 her, wie er sich aus der Ansicht der Fig. 3 ergibt. Die Darstellungen der Fig. 2 und Fig. 3 wurden gewählt, weil man dadurch besser veranschaulichen kann, welche Spannungen in den Übergangsradien 17 auftreten, wenn man eine Split-Pin-Kurbelwelle 8 entlang ihrer Hauptdrehachse 10 beispielsweise mit einer Zugkraft 18 beaufschlagt. Bei der Beaufschlagung mit der Zugkraft 18 wird auf der Unterseite 19 der Hublager 13 jeweils eine Zugspannung 20 auftreten und mit wachsendem Abstand von der Hauptdrehachse 10 kleiner werden, wie das durch die beiden Spannungslinien 21 angedeutet ist. Den Spannungslinien 21 zur Folge wird sich die maximale Zugspannung 20 von der Unterseite 19 des Hublagerzapfens 13 her ausgehend zur Oberseite 22 hin im Bereich der Übergangsradien 17 unter Umständen in eine Druckspannung (nicht gezeigt) umwandeln. Daher ist die Wirkung der Zugspannung 20 im Bereich der Unterseite 19 am größten, hier wird der größte Zuwachs an Eigenspannung in den Übergangsradien 17 erreicht. Aus diesem Grund muss die Tiefe des Festwalzens von der Unterseite 19 her zur Oberseite 22 hin kleiner werden. Im Bereich des Zwickels 16 zwischen den beiden Lagersitzen 14 und 15 treten ebenfalls Zugspannungen 23 auf. Da im Allgemeinen der Bereich des Zwickels 16 nicht festgewalzt wird, kann in diesem Zwickel 16 eine Verbesserung der Biegefestigkeit nur erreicht werden, wenn dieser Bereich ohne Risse plastifiziert werden kann.

Am mittleren Hauptlagerzapfen 9 erhält man, unter der Voraussetzung, dass die Split-Pin-Kurbelwelle 8 gerade bleibt, positiv wirkende Zugspannungen 24. An den beiden äußeren Hauptlagerzapfen 9' erhält man dagegen negativ wirkende Druckspannungen 25. Diese Druckspannungen 25 werden zu Zugspannungen, wenn die Split-Pin-Kurbelwelle 8 biegesteif eingespannt ist.

Die Fig. 4 zeigt das Festwalzen von Übergangsradien 7 am Beispiel der Verwendung von Festwalzrollen 26. Die Übergangsradien 7 sind als Einstiche 27 ausgebildet. Den Übergangsradien 7 gegenüberliegend stützen sich die Festwalzrollen 26 unter der Wirkung einer Festwalzkraft 28 auf einer Führungsrolle 29 ab. Jede der beiden Festwalzrollen 26 dringt unter einem Winkel 30 mit einer Komponente 31 jeweils in einen der Übergangsradien 7 ein. Das Festwalzen des Hubzapfens 4 mit Hilfe der Festwalzrollen 26 erfolgt entweder über den gesamten Umfangs des Übergangsradius 7 oder nur über einen Umfangsabschnitt des Umfangsradius 7. Während einer Festwalzung über den gesamten Umfang des Einstichs 27 kann die Festwalzkraft 28 und somit auch ihre Komponenten 31 entweder konstant bleiben oder in ihrer Größe variiert werden.

Auch bei der Fig. 5 sind die Übergangsradien 7 zwischen einem Hubzapfen 4 und den beiden Wangen 5 und 6 als Einstiche 27 ausgebildet. Zum Festwalzen der Einstiche 27 dienen hier lineare Festwalzwerkzeuge 32 und 33. Lineare Festwalz- Werkzeuge 32 und 33, deren Verwendung im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, sind beispielsweise aus der EP 1 779 972 bekannt. Auch hier stützen sich die linearen Festwalzwerkzeuge 32 und 33 auf einer Führungsrolle 29 ab. Da ein lineares Festwalzwerkzeug 32 oder 33 die Kontaktfiäche zur Führungsrolle 29 mit einem großen Radius 34 ausführen kann, können bei der Verwendung von linearen Festwalzwerkzeugen 32 und 33 sehr hohe Festwalzkräfte 28 aufgebracht werden, ohne dass man einen Bruch der linearen Festwalzwerkzeuge 32 bzw. 33 zu befürchten hat.

Das Festwalzen von Kurbelwellen 1 bzw. 8 erfolgt in der Weise, dass die in den Übergangsradien 7 bzw. 17 erzeugten Druckeigenspannungen zum Stehenbleiben von Rissen (nicht gezeigt) führen, welche unter Biegebelastung der Kurbelwelle 1 bzw. 8 im Übergangsradius 7 bzw. 17 auftreten. Die Vorteile dieser Arbeitsweise sind in der Fig. 6 erkennbar. Die Fig. 6 stellt ein einfaches Balkendiagramm dar. Zwei Proben von Kurbelwellen wurden Schwingversuchen unterzogen. Beide Proben hatten gehärtete Übergangsradien 7 bzw. 17, welche unter einer Festwalzkraft 28 festgewalzt worden sind. In einem Prüfstand wurde die Dauerfestigkeit unter Biegebelastung der Kurbelwelle 1 bzw. 8 geprüft. Der linke Balken 35 zeigt das dauerhaft übertragbare Biegemoment an Kurbelwellen 1 bzw. 8, deren Übergangsradien 7 gehärtet wurden. Der mittlere Balken 36 zeigt das Verhalten von Kurbelwellen 1 bzw. 8, deren Übergangsradien 7 bzw. 17 gehärtet und festgewalzt wurden. Der rechte Balken 37 zeigt das Verhalten von Kurbelwellen 1 bzw. 8, deren Übergangsradien 7 bzw. 17 gehärtet und unter Aufbringung einer Zugkraft 18 gleichzeitig festgewalzt wurden.

Den Versuchen lagen folgende Parameter zugrunde: Material einer Kurbelwelle 1 : 42 Cr Mo4 Härte im Übergangsradius 7: HRC 55 Härte der Festwalzrollen 26: > 60 HRC Höhe der Festwalzkraft 28: 25kN Höhe der Zugkraft 18: 60 kN

Das Festwalzen von Kurbelwellen bringt somit sehr große Verbesserungen der Dauerfestigkeit. Das Festwalzen unter Vorspannung kann die für ein günstiges Ergebnis benötigten Festwalzkräfte auf etwa 70 % der sonst benötigten Festwalzkraft reduzieren. Positive Ergebnisse sind insbesondere an den Übergangsradien 7, 17 der Hublagerzapfen 4, 13 zu erwarten. Bei radiengehärteten Kurbelwellen 1 , 8 sind mit dem vorliegenden Verfahren sehr hohe Dauerfestigkeiten zu erzielen. Das Festwalzen von radiengehärteten Kurbelwellen 1 , 8 mit den bisher bekannten Verfahren ist außerordentlich schwierig.

Bezugszeichenliste

Kurbelwelle

Hauptlagerzapfen

Drehachse

Hublagerzapfen

Wange

Wange

Übergangsradius

Split-Pin-Kurbelwelle

Hauptlagerzapfen

Drehachse

Wange

Wange

Hublagerzapfen

Lagersitz

Lagersitz

Zwickel

Übergangsradius

Zugkraft

Unterseite

Maximale Zugspannung

Spannungslinie

Oberseite

Zugspannung

Zugspannung

Druckspannung

Festwalzrolle

Einstich

Festwalzkraft

Führungsrolle

Winkel

Komponente lineares Festwalzwerkzeug lineares Festwalzwerkzeug

Radius

Balken

Balken

Balken