DE1195097B - Wange, insbesondere fuer gebaute Kurbelwellen und aehnlich beanspruchte Maschinenteile - Google Patents

Description

• Wange, insbesondere für gebaute Kurbelwellen und ähnlich beanspruchte Maschinenteile An Kurbelwellenzapfen mit aufgeschrumpften Kurbelblättern treten im Betrieb häufig Risse auf, die unter der -Langseite des aufgeschrumpften Kurbelblattes liegen. Die Zone dieser Risse ist etwa im Bereich von einem Zehntel der Kurbelblattdicke, vom Wellenschaft aus gerechnet, zu finden. Der Riß ist von außen nicht sichtbar. Ober das Vorhandensein und Fortschreiten solcher Risse gibt die Prüfung mit dem Ultraschallgerät Aufschluß, so daß die Welle ausgebaut werden kann, bevor der Dauerriß im Zapfen diesen zerstört. In zahlreichen Fällen haben die Risse zu Maschinenstörungen geführt.
• Baut man eine Welle mit Anrissen vor dem Bruch aus, so findet man nach dem Abschrumpfen der Kurbelblätter eine sägeblattähnliche Form der Risse. Dies läßt eindeutig darauf schließen, daß die Ursache der Anrisse nicht nur in den Torsions- und Biegebeanspruchungen im Betrieb zu suchen ist. Bei der näheren Untersuchung solcher Wellenzapfen wurden auf der Oberfläche an der Seite, die dem Kurbelzapfen zugekehrt ist, dünne, parallel zur Achse verlaufende Anrisse festgestellt.
• Diese Anrisse werden durch das Aufschrumpfen der Kurbelwange verursacht. Durch das unterschiedliehe Erkalten der Wange, bedingt durch ungleichmäßige Dicke in radialer Richtung, entsteht zwischen der Innenfläche der Bohrung der Kurbelwange und der Außenfläche des Wellenzapfens eine Relativbewegung, die zusammen mit den wirkenden Schrumpfkräften zu den Rissen führt. Im Betrieb werden diese Risse tiefer und springen unter dem Einfluß der dauernd wechselnden Torsions- und Biegebeanspruchungen sägeblattähnlich weiter. Die Ultraschallprüfung bestätigt, daß diese Risse nicht von der Mitte des Kurbelblattes ausgehen, sondern davor liegen, nämlich dort, wo die Schubwirkung des Kurbelblattes durch die Verzögerung beim Erkalten größer ist. Daraus ergibt sich, daß Zahl und Größe der Anrisse eine direkte Funktion der Schrumpfkraft sind. Aus der Zusammenwirkung der Spannungen, die sich aus der Schrumpf-, Torsions-und Biegebeanspruchung ergeben, erklärt sich die Lage und der Verlauf der Bruchebene. Spannungsoptische Untersuchungen der Kurbelwange deuteten auf einen dreiachsigen Spannungszustand hin. In vergleichsweise ebenen Untersuchungen wurden zwei Zonen festgestellt, in denen die Schubspannungen verschwinden. Diese Zonen liegen rechts und links der Mittellinie der Kurbelwange im Bereich der größten Werkstoffanhäufung.
• Zum Abbau der durch das Einpressen von Zapfen hervorgerufenen Spannungsspitzen sind mehrfach Verfahren angegeben worden. Bei einem dieser Verfahren werden nach dem Aufschrumpfen der Wange Einfräsungen um den Zapfensitz vorgenommen. Durch diese sollen die Spannungsspitzen bzw. die Kerbwirkung, welche durch die Biegebeanspruchungen hervorgerufen worden ist, aufgehoben werden. Es handelt sich hierbei grundsätzlich um einen Spannungsabbau durch Verminderung der Werkstoffsteifheit.
• Bekannt ist auch die Erweiterung der Kurbelblattbohrung bzw. die Verringerung des Zapfendurchmessers am Ende des Schrumpfsitzes. Auch hier wird die Wirkung der Spannungsspitze, die beim Schrumpfen an der Kante der Wange entsteht, abgebaut und eine Kerbwirkung an dem hier abgesetzten Wellenzapfen vermieden. Die gleiche Ausführung, nämlich die Erweiterung der Bohrung, findet man bekanntlich auch bei eingewalzten Rohren in dickwandigen Rohrböden. Bei angeschmiedeten Blättern oder Wangen wird unter Umständen der Steg zwischen Wellen- und Kurbelzapfen entfernt. Alle diese Verfahren sollen den Kraftlinienfluß in der Welle unter Betriebsbeanspruchung verbessern und Kerbwirkungen am Ende des Zapfens vermeiden.
• Bekannt sind zusammengesetzte Kurbelwellen mit einer Kurbelwange, die seitlich zwischen den beiden Zapfen zwei Öffnungen von etwa ellipsenförmiger Gestalt besitzt. Diese Öffnungen dienen aber lediglich der Gewichtsersparnis und dem Gewichtsausgleich.
• Bekannt ist weiterhin eine Kurbelwelle mit einer Wange, die einen zur Welle konzentrischen, kreisbogenförmigen Schlitz aufweist. Dieser Schlitz liegt zwischen Wellenzapfen und Ausgleichsgewicht und schneidet die Symmetrieachse der Kurbelwange. Mit Hilfe dieses Schlitzes soll eine gleichmäßige Spannungsverteilung an der Schrumpfstelle im Bereich des Gegengewichtes erreicht werden.
• Es war die Aufgabe der Erfindung, die in der Wange für zusammengebaute Kurbelwellen und ähnlich beanspruchte Maschinenteile zwischen den Zapfen auftretenden Spannungsspitzen abzubauen und eine gleichmäßige Spannungsverteilung in diesem Bereich der Schrumpfverbindung zu erzielen. Erfindungsgemäß werden hierzu zwei die Wangen zwischen den beiden Zapfen durchsetzende, symmetrisch zu der die Zapfenachse enthaltenden Ebene liegende Öffnungen im Bereich von vor dem Einbringen der Öffnungen durch einen Belastungsversuch festgestellten schubspannungsfreien Zonen der Wange angeordnet.
• Diese Öffnungen haben eine doppelte Wirkung. Einmal kann die aufgeschrumpfte heiße Kurbelwange dadurch nicht nur von dem Kurbelzapfen her, sondern auch von der Seite her gekühlt werden, indem man z. B. Preßluft durch die Öffnungen hindurchbläst. Außerdem wird die an dieser Stelle besonders breite Wange durch die Öffnung geteilt, und die Schrumpfspannungen kommen an dieser Stelle nur so weit als Pressung an dem Wellenzapfen zur Auswirkung, als sie schon zwischen Öffnung und Wellenzapfen entstehen. Die bei der Abkühlung im gegenüberliegenden Teil der Kurbelwange zwischen der Öffnung und dem Außenrand der Wange entstehenden Spannungen können also auf den Wellenzapfen nicht einwirken; andererseits ist dieser Wangenteil in der Zusammenziehung beim Abkühlen nicht gehindert.
• Es konnte in spannungsoptischen Versuchen gezeigt werden, daß durch die Öffnungen eine beträchtliche Verminderung der Spannungsspitzen, insbesondere jener, welche auf die Welle wirken, erreicht wird bzw. daß der Verlauf der durch das Schrumpfen erzeugten Spannungen, über den Umfang des Kurbelwellenbolzens gesehen, viel gleichmäßiger ist als ohne die Öffnungen.
• Die Öffnungen können als Rundlöcher durch Bohren hergestellt werden, man kann sie auch durch Fräsen erzeugen und sie dabei der Form der spannungsoptisch aufgefundenen zwei Zonen ohne Schubspannungen anpassen. Eine weitere Herabsetzung der Schrumpfspannungen läßt sich dadurch erreichen, daß die Öffnungen beiderseits nach außen konisch erweitert bzw. ausgerundet werden.
• Die Abbildungen zeigen als Beispiel die Ausführung der Erfindung.
• Die Kurbelwange 1 (Ab b. 1) besitzt zwei Bohrungen 2 und 3, in denen der Kurbelzapfen (2) und darunter der Wellenzapfen (3) eingeschrumpft sind. Ohne Entlastungsöffnungen ergeben sich im Betrieb in dem Wellenzapfen (3) Risse 4, welche seitlich gesehen eine sägeblattähnliche Form haben. Die Ursache dieser Risse ist die ungleichmäßige Spannungsverteilung auf dem Umfang des Wellenzapfens, wie sie in A b b. 2 aufgetragen ist. Wie die Abbildung zeigt, entspricht die Höhe der jeweiligen Schrumpfspannung etwa der radial gemessenen Breite der Kurbelwange.
• In den spannungsoptischen Untersuchungen ergaben sich zwei Zonen 5 symmetrisch zur Hauptachse zwischen den beiden Bohrungen in der Wange, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß die Schubspannungen hier verschwinden. Bringt man an diesen beiden Zonen Öffnungen 6 an (A b b. 3), so werden die Schrumpfspannungen gleichmäßiger, d. h., die Spannungsspitzen werden erniedrigt, und die Gefahr von Dauerbrüchen, die durch Spannungsspitzen am Umfang des Wellenbolzens erzeugt wurden, entfällt.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Wange, insbesondere für gebaute Kurbelwellen und ähnlich beanspruchte Maschinenteile, mit mindestens zwei Zapfen, von denen wenigstens einer eingeschrumpft ist, wobei die Wange mit Ausnehmungen zum Zwecke des Spannungsausgleichs an der Schrumpfstelle versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei die Wange zwischen den beiden Zapfen durchsetzende, symmetrisch zu der die Zapfenachse enthaltenden Ebene liegende Öffnungen im Bereich von vor dem Einbringen der Öffnungen durch einen Belastungsversuch festgestellten schubspannungsfreien Zonen der Wange angeordnet sind.
2. 2. Wange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsöffnungen im Bereich der Zonen ohne Schubspannungen als Rundlöcher ausgebildet sind.
3. 3. Wange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Entlastungsöffnungen den Zonen ohne Schubspannungen entspricht.
4. 4. Wange nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsöffnungen beiderseits nach außen konisch erweitert bzw. ausgerundet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 1048 098, 347103 britische Patentschrift Nr. 226 663; USA.-Patentschrift Nr. 2 643 145.