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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR INTRODUCING TRANSITION RADII INTO A CRANKSHAFT AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/017405
Kind Code:
A1
Abstract:
In a method for introducing transition radii into a crankshaft (1) between crank pins (2) and crank webs (3) and/or between the bearing pins and crank webs, wherein the contour profile of the transitions (5) between the crank webs (3), the crank pins (2) and bearings (4) of the crank pins (2) and/or between the bearing pins (Ia) and the crank webs (3) has in each case at least two differently sized partial radii, the transition radii are introduced in a plurality of working steps. In a first working step, a mechanical abrasion process is carried out on a continuous radius (R1), subsequently, in a second working step, a strain-hardening is carried out with a second radius (R2), and, in a third working step, in a further mechanical abrasion process, final radii are introduced in the form of a main radius (R01) and at least one second radius (R02, R03) which adjoins the main radius (R01) and is smaller than the main radius (R01).

Inventors:
REEB ALFONS (DE)
SCHMIDT JOCHEN (DE)
Application Number:
EP2007/006790
Publication Date:
February 14, 2008
Filing Date:
August 01, 2007
Export Citation:
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Assignee:
KESSLER KG MASCHF (DE)
REEB ALFONS (DE)
SCHMIDT JOCHEN (DE)
International Classes:
F16C3/06; B21H7/18; B24B5/42; B24B39/04
Foreign References:
DE102004008728A12005-09-08
EP1452272A12004-09-01
DE10328453A12005-01-13
DE10202547C12003-07-03
Attorney, Agent or Firm:
LORENZ & KOLLEGEN (Heidenheim, DE)
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Claims:

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Einbringen von übergangsradien in eine Kurbelwelle zwischen Hubzapfen und Kurbelwangen und/oder zwischen Lagerzapfen und Kurbelwangen, wobei der Konturverlauf der übergänge zwischen den Kurbelwangen, den Hubzapfen und Lagerstellen der Hubzapfen und/oder den Lagerzapfen und Kurbelwangen jeweils wenigstens zwei unterschiedlich große Teilradien aufweist, die in wenigstens zwei Arbeitsschritten eingebracht werden, d a du r c h g e k e n n z e i chn e t , dass in einem ersten Arbeitsschritt ein mechanisches Abtragsverfahren auf einen kontinuierlichen Radius (Rl) durchgeführt, anschließend in einem zweiten Arbeitsschritt eine Kaltverfestigung mit einem zweiten Radius (R2) durchgeführt und in einem dritten Arbeitsschritt in einem weiteren mechanischen Abtragsverfahren Endradien in Form eines Hauptradius (ROl) und wenigstens einem zweiten Radius (R02,R03), der sich an den Hauptradius (ROl) anschließt und der kleiner ist als der Hauptradius (ROl), eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, da du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass der in dem zweiten Arbeitsschritt eingebrachte Radius (R2) kleiner ist als der in dem ersten Arbeitsschritt eingebrachte Radius (Rl) .

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a du r c h g e k e n n z e i ch n e t , dass

der Radius (R2) zwischen 3 und 15% kleiner ist als der Radius (Rl) .

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Radius (R2) zwischen 5 und 10% kleiner ist als der

Radius (Rl) .

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der wenigstens eine zweite Endradius (R02) am

übergang zur Lagerstelle (4) oder zum Lagerzapfen (Ia) liegt und in einem Absatz (9) in die Lagerstelle (4) bzw. den Lagerzapfen (Ia) einmündet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein dritter Endradius (R03) am übergang in die Kurbelwange (3) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lagerstelle (4) nach dem dritten Arbeitsschritt mechanisch endbearbeitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mechanische Endbearbeitung durch Schleifen erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kaltverfestigung durch einen Festwalzvorgang erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kaltverfestigung durch ein Schlagverfestigen mit einem Werkzeug erfolgt, das an der Schlagstelle wenigstens annähernd eine Teilkugelform aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mechanischen Abtragsverfahren durch Formdrehen, Schleifen oder Fräsen erfolgen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die übergänge (5) mit ihren übergangswandungen (10) zu den Kurbelwangen (3) in einem Winkel zu den Längsachsen der Kurbelwangen (3) in die Kurbelwangen (3) eingeformt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Winkel kleiner als 55° betragen.

14. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Winkel zwischen 30 und 45° liegen.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein Dreh- oder Fräswerkzeug (6) für den ersten Arbeitsschritt, ein Schlagverfestigungswerkzeug oder ein Festwalzwerkzeug (7) für den zweiten Arbeitsschritt und ein Drehoder Fräswerkzeug (8) für den dritten Arbeitsschritt vorgesehen sind.

Description:

Verfahren zum Einbringen von übergangsradien in eine Kurbelwelle und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von übergangsradien in eine Kurbelwelle zwischen Hubzapfen und Kurbelwangen und/oder zwischen Lagerzapfen und Kurbelwangen, wobei der Konturverlauf der übergänge zwischen den Kurbelwangen, den Hubzapfen und Lagerstellen der Hubzapfen und/oder den Lagerzapfen und Kurbelwangen jeweils wenigstens zwei unterschiedlich große Teilradien aufweist, die in wenigstens zwei Arbeitsschritten eingebracht werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Steigerung der Beanspruchbarkeit von Kurbelwellen sind unter anderem Kaltverfestigungsverfahren durch Festwalzen oder durch Schlagverfestigen, zum Teil auch durch Kugelstrahlen, bekannt.

Für eine technisch wirkungsvolle Umsetzung des Verfahrens wird bei den beiden Kaltverfestigungsverfahren, nämlich Festwalzen und Schlagverfestigung, eine Konturanpassung der zu bearbeitenden Kurbelwelle gefordert. Sofern die Konturanpassung bzw. der Konturverlauf der übergänge kontinuierlichen Radien folgt, lässt sich eine derartige Kaltverfestigung ohne großen Aufwand bezüglich einer Werkzeuganpassung realisieren.

Problematisch wird es jedoch, wenn für den Konturverlauf der übergänge unterschiedlich große Teilradien gefordert werden, wobei entsprechend die übergänge mit zwei oder mehr ineinander übergehenden unterschiedlichen übergangsradien ausgelegt werden

sollen. übergänge dieser Art werden auch als Korbbogenradien bezeichnet.

Ein wesentliches Problem bei der Einbringung von übergängen in Korbbogenradienform besteht darin, dass bei den beschriebenen Kaltverfestigungsverfahren zur Durchführung des Festigungsverfahrens ein der Radienform angepasstes Werkzeug verwendet werden muss, das sehr aufwändig in der Herstellung und damit sehr kostenintensiv ist. Darüber hinaus lassen sich auch mit derart speziell angepassten Werkzeugen nicht in jedem Fall die gewünschten Korbbogenradien herstellen. Ein derart kompliziertes Werkzeug ist aus der DE 10 2004 008 728 Al mit zwei verschiedenen Radien bekannt .

In der DE 103 28 453 Al ist eine Kurbelwelle beschrieben und dargestellt, wobei die übergangsradien zwischen den Kurbelwangen und den Hubzapfen in Form von Korbbogenradien ausgeführt sind, wobei drei oder mehr Teilradien vorhanden sein können. In dieser Druckschrift finden sich jedoch keine Hinweise darauf, auf welche Weise die Korbbogenradien eingebracht werden.

Noch schwieriger wird die Situation, wenn man den übergangsradius zur Lagerstelle des Hubzapfens nicht tangential auslaufen lässt, sondern einen Absatz dazwischen vorsieht. Durch einen derartigen Absatz verringert sich die Tragkraft der Lagerstelle durch den Auslauf des Radius. Durch die besagte Korbbogenradien- gestaltung lässt sich die Tragkraft der Lagerstelle aufgrund einer größeren definierten Breite erhöhen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen von übergangsradien in eine Kurbelwelle zwischen Hubzapfen und Kurbelwangen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche für eine hohe Belastbarkeit ausgelegt sind,

jedoch mit geringerem Aufwand als bisher bekannt hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem ersten Arbeitsschritt ein mechanisches Abtragsverfahren auf einen kontinuierlichen Radius Rl durchgeführt, anschließend in einem zweiten Arbeitsschritt eine Kaltverfestigung mit einem zweiten Radius R2 durchgeführt und in einem dritten Arbeitsschritt in einem weiteren mechanischen Abtragsverfahren Endradien in Form eines Hauptradius ROl und wenigstens einem zweiten Radius R02, R03, der sich an den Hauptradius ROl anschließt und der kleiner ist als der Hauptradius ROl, eingebracht werden.

Wie ersichtlich, können durch das erfindungsgemäße Dreischrittverfahren einfache Werkzeuge verwendet werden, wodurch das Verfahren kostengünstiger durchgeführt werden kann.

Während im ersten Arbeitsschritt ein kontinuierlicher Radius Rl bestimmter Größe eingebracht wird, wird im zweiten Arbeitsschritt das Kaltverfestigungsverfahren durchgeführt und dann im dritten Arbeitsschritt die Endkontur mit den zusammengesetzten Radien in Korbbogenform herausgearbeitet.

Die übergangsradien können dabei vorzugsweise als axial und radial hinterlegte übergänge mit eingeformten Radien in die Hubzapfen und/oder Kurbelwangen ausgeführt werden, können jedoch auch nur einseitig hinterlegte übergänge oder auch tangierende übergänge besitzen.

Durch den kontinuierlichen Radius Rl, der in vorteilhafter Weise größer ist als der im zweiten Arbeitsschritt eingebrachte Radius R2, lässt sich problemlos für die Kaltverfestigung ein herkömmliches Werkzeug zum Schlagverfestigen oder ein Werkzeug für ei-

nen Festwalzvorgang einsetzen. Anschließend wird durch das erfindungsgemäße mechanische Abtragsverfahren im dritten Arbeitsschritt die gewünschte Korbbogenform mit einer entsprechenden Nacharbeit eingebracht. Dabei ist lediglich darauf zu achten, dass nur so viel Material abgetragen wird, dass die vorher durch die Kaltverfestigung eingetretenen Druckeigenspannungen im wesentlichen beibehalten werden, wodurch der Vorteil einer Kaltverfestigung mit entsprechend hoher Tiefenwirkung genutzt werden kann und zwar ohne dass große konstruktive änderungen mit ansonsten sehr kostspieligen Folgeänderungen erforderlich werden würden.

Von Vorteil ist es, wenn der Endradius R02, der am übergang zur Lagerstelle liegt, in einem Absatz in die Lagerstelle einmündet. Auf diese Weise ergibt sich eine höhere Tragkraft, wobei trotzdem auch noch die Lagerstelle zur Verbesserung der Oberfläche nachbearbeitet werden kann, zum Beispiel durch ein Schleifen unter Beibehaltung des Absatzes.

In vorteilhafter Weise werden die übergänge in einem Winkel zu den Längsachsen der Kurbelwangen in die Kurbelwangen eingeformt. Auf diese Weise ergibt sich eine entsprechende Hinterlegung bzw. Einarbeitung in die Kurbelwange.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 ausschnittsweise eine Kurbelwelle mit einem Hubzapfen, zwei Kurbelwangen und zwei Hauptlagerstellen;

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren im ersten Arbeitsschritt mit einem axial hinterlegten kontinuierlichen übergangsradius Rl;

Fig. 3 den zweiten Arbeitsschritt mit einem Werkzeug zur Kaltverfestigung;

Fig. 4 den dritten Arbeitsschritt mit Einbringung des übergangs in Form von Korbbogenradien mit einem Hauptradius ROl und zwei kleineren zweiten und dritten Radien R02 und RO3;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für einen dritten Arbeitsschritt, wobei neben dem Hauptradius ROl lediglich ein zweiter Radius R02 zur Lagerstelle vorgesehen ist; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der zwei Konturenverläufe als übergang zwischen der Kurbelwange und dem Hubzapfen mit Vorstadiumkontur und Endstadiumkontur.

Grundsätzlich sind Maschinen und Einrichtungen zum Einbringen von übergangsradien und zu deren Härtung allgemein bekannt, weshalb nachfolgend nicht näher darauf eingegangen wird. Hierzu wird unter anderem auf die bereits erwähnte DE 10 2004 008 728 Al und die DE 102 02 547 Cl verwiesen.

Fig. 1 zeigt ausschnittsweise eine Kurbelwelle 1 mit einem Hubzapfen 2, zwei seitlich davon angeordneten Kurbelwangen 3 und mit jeweils einem neben einer Kurbelwange 3 angeordneten Lagerzapfen Ia (auch Hauptlagerstelle genannt). Der Hubzapfen 2 ist mit einer Lagerstelle 4 für ein nicht dargestelltes Pleuel versehen. Zwischen dem Hubzapfen 2 und den seitlich davon angeordneten beiden Kurbelwangen 3 sind übergänge 5 mit Radien vorgese-

hen. Gleiches gilt für übergänge 5 zwischen den Lagerzapfen Ia und den Kurbelwangen 3.

In der Fig. 2 ist ausschnittsweise eine Kurbelwelle 1 mit einem Hubzapfen 2 und einer Kurbelwange 3 dargestellt. Der Hubzapfen 2 ist mit einer Lagerstelle 4 für eine Lagerung eines nicht dargestellten Pleuels versehen. Gemäß Fig. 2 wird mit einem nicht näher dargestellten Fräswerkzeug 6 ein axial hinterlegter kontinuierlicher übergangsradius Rl mit einer axialen Hinterlegungstiefe Xl in die Kurbelwange 3 in den übergang 5 eingefräst. Mit "axial" ist die Längsrichtung der Kurbelwelle 1 gemeint und mit "hinterlegt" und "Hinterlegungstiefe" ist gemeint, in welchem Ausmaß der übergang in die Kurbelwange 3 eingefräst wird.

Anstelle eines Fräswerkzeugs kann selbstverständlich zum Einbringen des Konturverlaufs mit dem übergangsradius Rl auch ein Drehwerkzeug oder ein Schleifwerkzeug verwendet werden.

Im zweiten Arbeitsschritt wird gemäß Fig. 3 der übergang 5 mit dem übergangsradius Rl mit einem Festwalzwerkzeug 7 in bekannter Weise kalt verfestigt. Das Festwalzwerkzeug 7 besitzt auf seiner vorderen Seite einen kontinuierlichen Werkzeugradius R2, der damit in den übergang 5 bei dem Kaltverfestigungsvorgang eingedrückt wird. Der bei dem Kaltverfestigungsvorgang auf diese Weise eingebrachte zweite kontinuierliche Radius R2 ist geringfügig kleiner als der im ersten Arbeitsschritt eingebrachte Radius Rl. Der Radius R2 kann zwischen 3 und 15% kleiner, vorzugsweise zwischen 5 und 10% kleiner, sein.

In der Fig. 4 ist der dritte Arbeitsschritt dargestellt. Mit einem weiteren Fräswerkzeug 8 (ebenso auch alternativ ein Drehoder Schleifwerkzeug) wird in einem mechanischen Abtragsverfahren für den Konturverlauf des übergangs 5 ein Hauptradius ROl

und einen sich daran anschließenden zweiten Radius R02, der den übergang zu der Lagerstelle 4 des Hubzapfens 2 bildet, und einen dritten Radius R03, der den übergang zu der Kurbelwange 3 bildet, eingebracht. Dabei entsteht eine neue axiale Hinterlegungstiefe X2 und gleichzeitig auch eine radiale Hinterlegungstiefe Yl zu dem Hubzapfen 2. Bei dem Abtragsverfahren wird durch die Hinterlegungstiefe Yl ein Absatz 9 am übergang zu der Lagerstelle 4 des Hubzapfens 2 erzeugt und zwar mit dem Radius R03, wodurch eine definierte Lagerstellenbreite geschaffen wird.

Die sich an den Hauptradius ROl seitlich anschließenden Radien R02 und R03 sind kleiner als der Hauptradius ROl.

Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Endzustand gemäß Fig. 4, wobei hier lediglich neben dem Hauptradius ROl ein zweiter Radius R02 beim übergang zu der Lagerstelle 4 des Hubzapfens 2 vorgesehen ist.

Die Lagerstelle 4 kann unter Beibehaltung eines Absatzes 9 bei Bedarf auch noch mechanisch endbearbeitet werden, zum Beispiel durch Schleifen.

Anstelle der in der Fig. 3 dargestellten Kaltverfestigung mit einem Festwalzwerkzeug 7 kann selbstverständlich auch für eine Kaltverfestigung ein Schlagverfestigen mit einem Werkzeug erfolgen, das an der Schlagstelle wenigstens annähernd eine Teilkugelform mit dem Radius R2 aufweist.

Wie aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, werden bei dem mechanischen Abtragsverfahren die erwünschten zusammengesetzten übergangsradien als Korbbogenradien mit den Radien ROl, R02 und gegebenenfalls R03 erzeugt.

Bei einer axialen Hinterlegung Xl des Konturverlaufes des übergangs 5 in die Kurbelwange 3 liegt eine übergangswandung 10 in einem Winkel Wl zu der Längsachse 11 der Kurbelwange 3. Die Längsachse 11 der Kurbelwange 3 liegt damit senkrecht zur Längsachse der Kurbelwelle 1.

Gemäß Fig. 2 ist der Winkel Wl vorgesehen. Der gleiche Winkel Wl bleibt auch bei der Kaltverfestigung im zweiten Arbeitsschritt gemäß Fig. 3 bestehen. Der Winkel W2 nach dem dritten Arbeitsschritt kann gleich wie Wl oder auch anders sein. Gleiches gilt für den Winkel W3 nach der Fig. 5. Die Winkel Wl, W2 und W3 sollten kleiner als 55° sein und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30 und 45° liegen.

In der Fig. 6 sind nochmals schematisch beispielhaft die zwei Konturen am übergang 5 mit einer Vorstadiumkontur V zum Hubzapfen 2 mit dem Durchmesser Dl und einer Endstadiumkontur F zum Hubzapfen 2 mit dem Durchmesser D2 und dem Absatz 9 dargestellt.

Die übergänge 5 zwischen den Lagerzapfen Ia und den Kurbelwangen 3 können in gleicher Weise, wie vorstehend anhand der übergänge 5 zwischen den Kurbelwangen 3 und den Hubzapfen 2 beschrieben, hergestellt werden.