DE1583329C - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Torsionsdauerfestigkeit induktiv gehar teter Kurbelwellen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf das induktive Härten von Kurbelwellen, insbesondere aber auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen die Torsionsdauerfestigkeit induktiv gehärteter Kurbelwellen erhöht werden kann.

Es ist bereits seit langem bekannt, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit die Oberflächen der Lagerstein, d. h. der Hub- und Mittellagerzapfen an Kurbelwellen mit einer Hälteschicht zu versehen. Für diese Zwecke wird derzeit fast ausschließlich das induktive Härteverfahren angewandt.

Es sind weiterhin induktiv gehärtete Kurbelwellen bekanntgeworden, deren Härteschichten sich nicht über die in erhöhtem Maße auf Verschleiß beanspruchteii Lagerllächeii erstrecken, sondern bei denen die Hälteschichten sich in Hohlkehlen zwisehen Lagerzapfen und Wangen hinein und sogar darüber hinaus bis in den sogenannten Anlaufbundbereich hinein erstrecken. Solche Härteschichten verleihen den Kurbelwellen cine stark erhöhte Dauerbiegefestigkeit.

Die in dieser Weise induktiv gehärteten Kurbelwelleu haben sich ia der Praxis gut bewährt; denn es ist dadurch gelungen, die derart gehärteten, ansonsteii aber unveränderten Kurbelwellen für Motore wesentlich höherer Leistung zu verwenden, als dies mit gehärteten Kurbelwellen möglich gewesen wäre. Insbesondere durch die Mithärtung der Hohlkehlen ist eine Erhöhung der Dauerbiegefestigkeit an Kurbelwellen von etwa 80 bis 100 % erzielt worden.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei derartigen in der Dauerbiegefestigkeit erheblich verbesserten Kurbelwellen als kritischster Kurbelvvellenteil bei Überlastuiigen der Bereich der öliochbohrungen an den Mittcllager- und Hublagerzapfen anzusehen ist. Bei unzulässig hoher statischer oder dynamischer Beanspruchung treten hier zuerst Torsionsdauerbrüche auf, die wohl auf die Volumenverringcrung im Bereich der Öliochbohrungen zurückzuführen sind.

Bisher ist es noch nicht möglich gewesen, die Anfälligkeit der induktiv hohlkehlcngehärteten Kurbclwellen mit bekannten Mitteln zu verringern. Zwar ist beispielsweise schon versucht worden, durch Erzeugung einer hohen Oberflächengüte an öllochrändern oder durch nachträgliche Kaltverfestigung die Ursache für die Torsionsdauerbrüche zu beseitigen. Wenn ein solches Verfahren in der Serienfertigung mit dem gewünschten Erfolg durchgeführt werden soll, ist ein zu hoher Aufwand nötig.

Auch haben Versuche, die Aufgabe durch Verwendung höherlegierter Stähle zu lösen, nicht den gewünschten Erfolg gezeigt, da solche Maßnahmen zu einer Verteuerung des Erzeugnisses führen, nicht nur, weil der Werkstoff selbst teurer ist, sondern da auch für die Bearbeitung höhere Kosten aufzuwenden sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Torsionsdauerl'estigkeit aus schwach legierten oder unlegierten Stählen hergestellten Kurbelwellen zu verbessern. Sie betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Torsionsdauerfestigkeit von Kurbelwellen, deren Lagerflächen gegebenenfalls einschließlich der Hohlkehlen zwischen Lagerzapfen und Seitenwangen induktiv gehärtet sind.

Erfmdimgsgemäß werden die Lagerzapfen von den Hohlkehlen ausgehend — erforderlichenfalls unter l'iiihe/.iehüiij', derselben —mit einer solchen induktiv gehiirtutcn Oberflächenschicht versehen, die in Riehtung auf die öllochbohrung zu in ihrer Stärke stetig zunimmt. Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird die Oberflüchenhärteschicht in Richtung auf die Öllochbohrung zu derart verstärkt, daß die Innenfläche der Öllochbohrung durchgehend mit einer Haloschicht versehen ist.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Innenfläche der Öllochbohrung lediglich bis zu einer Tiefe, des Ülloches induktiv zu härten, die kleiner als der halbe Zapfendurchmesser ist.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren soll vorteilhafterweise eine Vorrichtung angewandt werden mit zwei bei der Härtung der Kurbelwelle nacheinander wirksam werdenden Induktoren unterschiedlicher Breite. Beide Heizschleifen bzw. Induktoren sind bezüglich elektrischer Leistung, Frequenz und Heizdauer unabhängig voneinander steuerbar.

An Hand der A b b. I bis 4 soll die Erfindung näher erläutert werden.

Abb. I und 2 zeigen jeweils das Hublager einer Kurbelwelle, das mit unterschiedlichen Härteschichten versehen ist;

A b b. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren; in A b b. 4 ist als Diagramm die zeitlich beispielsweise den Induktoren zugeführte elektrische Leistung aufgezeigt.

In A b b. 1 ist das Teil einer Kurbelwelle zu erkenneu, bei dem ein Hublager I mit den Kurbelwangen 2 vollständig gezeigt ist. Zu beiden Seiten des Hublagers setzt die Kurbelwelle sich sodann in bekannter Weise in den Mittellagern 3 fort. Jedes Lager, d. h. also Mittel- und Hublager sind mit Bohrungen, sogenannten Öllöchern 4 versehen, die — wie aus A b b. 1 ersichtlich — geradlinig oder auch schräg durch die Lager verlaufen können. Die Grenze zwisehen induktiv gehärtetem und ungehärtetem Bereich ist in A b b. 1 durch eine gestrichelte Linie angezeigt, d- h. daß Zone 5 induktiv gehärtet ist. Die Härtezone 5 zu beiden Seiten des Hublagers im Anlaufbundbereich umfaßt den Bereich der Hohlkehlen und nimmt von dort ausgehend auf die öllochbohrung 4 stetig zu. Die in A b b. I gezeigte Härtezone 5 auf der Oberfläche des Hublagers durchsetzt das Hublager im Bereich der öllochbohrung vollständig. Die gesamte Innenfläche der öllochbohrung ist demnach oberflächengehärtet.

Nicht so bei dem Hublager nach Abb. 2; dort nimmt die Härtezone 5 gleichfalls zur öllochbohrung 4 hin stetig zu, sie dringt jedoch im Bereich der öllochbohrung nicht so tief in das Hublager ein. Die Innenfläche ist somit nicht auf der gesamten Länge der Öllochbohrung oberflächengehärtet.

In welcher Weise und mit weichen Mitteln das neue Härteverfahren ausgeübt werden soll, ist aus Abb. 3 ersichtlich. Dort sind über der induktiv zu härtenden Lageroberfläche 6, die in abgewickelter Form gezeichnet ist, zwei Induktoren bzw. zwei Heizschleifen eines Induktors angeordnet. Die Heizschleifen bzw. Induktoren 7 und 8 weisen unterschiedliche Breite auf. Als Induktoren sind die Bauelemente 7 und 8 bekanntlich dann zu bezeichnen, wenn sie mechanisch voneinander getrennt sind. Mit unterschiedlicher elektrischer Leistung, unterschiedlicher Frequenz zu verschiedenen Zeiten beaufschlagte Heiz'riicr können dagegen durchaus in einem Ind'.ikU-r»i;häuse angeordnet sein.

Bei der nachfolgenden Beschreibung wird daher der Einfachheit wegen davon ausgegangen, da(3 es sich bei 7 und 8 um Hcizlciterschicifcn handelt. Es ist aber statt dessen auch die Verwendung von zwei Induktoren möglich.

Nach A b b. 3 sind die beiden unterschiedlichen breiten Heizleiterschleifen 7 und 8 über je einen von Zeitgebern 9 und 10 gesteuerten Schalter Il und 12 mit einem elektrischen Mittelfrequenzgenerator verbunden. In den meisten Fällen jedoch werden die Heizleiterschleifen an verschiedene elektrische Generatoren angeschlossen sein, die sich insbesondere auch durch die abgegebene Frequenz unterscheiden können.

A b b. 4 zeigt, daß der Bereich um die Öllochbohrung 4 herum zunächst vorgeheizt wird und bei Erreichen der Härtetemperatur an der Oberfläche bis zur Erzeugung der gewünschten Erwärmungszone isotherm weitergeheizt wird. Die isotherme Heizung kann dabei teilweise durch den zweiten Induktor erfolgen, dessen Hauptaufgabe jedoch die Oberflachenheizung der gesamten Lagerfläche gegebenenfalls unter Einbeziehung der Hohlkehlen ist. Die Staffelung der Erwärmungszeiten soll dabei so erfoigen, daß ein Abschrecken aus der gemeinsamen Wärme möglich ist.

Die Durchführung der induktiven Aufheizung der zu härtenden Oberfläche soll in der Weise vor sich gehen, daß zunächst die schmale Heizleiterschleife 7 während der Zeitspanne r, mit geringerer Leistung N₁ vom Generator G beaufschlagt wird, wie dies aus dem Diagramm gemäß Abb.'4 ersichtlich ist. Nach Ablauf der Zeit t_x wird der Schalter 11 geöffnet und der Schalter 12 geschlossen. Die Heizleiterschleife 8 wird nun während der Zeit i., vom Generator G mit der elektrischen Leistung iV., beaufschlagt. Wenn Leistung, Frequenz, Zeit und die Form der Heizleiterschleifen richtig gewählt gewesen sind, dann ist nach Abiauf der Zeitspanne I₁ -f t.₂ die Lagefläche in der aus der Abb. 1 oder 2 ersichtlichen Weise induktiv erhitzt, und durch Abschrecken mittels eines flüssigen oder gasförmigen Mediums kann in an sich bekannter Weise das Härten erfolgen.

Gute Ergebnisse dürften erzielt werden, wenn die Heizleiterschleife 7 mit elektrischer Energie niedrigerer Frequenz als Heizleiterschleife gespeist wird. Auch dann ist durchaus möglich, daß die Speisung aus dem gleichen elektrischen Generator erfolgt; denn bei den nunmehr auch für die Abgabe höherer Leistungen herstellbaren Wechselrichter mit Thyristoren ist die Frequenz der Ausgangsspannung in gewissen Grenzen einfacher auf unterschiedliche Werte einstellbar als bei den bisher verwendeten ίο statischen oder dynamischen Mittelfrequenzgeneratoren.

Claims (5)

1. Patentansprüche:
2. L Wärmebehandlungsverfahrcn zur Erhöhung der Torsionsdauerfestigkeit von Kurbelwellen, bei dem die Lagerflächen gegebenenfalls einschließlich der Hohlkehlen zwischen Lagerzapfen und Seitenwangen induktiv gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ober- flächenschicht (5) mit einer stetig von den Seitenwangen (2) zu der Öllochbohrung (4) zunehmenden Stärke induktiv auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und abgeschreckt wird.
   2. Wärmebehandlungsverfahren nach An-Spruch L, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfiächenhärteschicht (5) in Richtung auf die Öllochbohrung (4) zu derart verstärkt wird, daß die Innenfläche der öllochbohrung (4) durchgehend mit einer Härteschicht versehen ist.
3. 3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Öllochbohrung (4) bis zu einer Tiefe des Ölloches induktiv gehärtet wird, die kleiner ist als der halbe Zapfendurchmesser.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei bei der Härtung der Kurbelwelle nacheinander wirksam werdende Induktoren (7. 8) unterschiedlicher Breite.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Heizleiterschleifen bzw. Induktoren (7, 8) bezüglich elektrischer Leistung, Frequenz und Heizdauer unabhängig voneinander steuerbar sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen