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WO2018228797A1 - Verfahren und vorrichtung zum schlagverfestigen von übergangsradien einer kurbelwelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schlagverfestigen von übergangsradien einer kurbelwelle Download PDF

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Publication number
WO2018228797A1
WO2018228797A1 PCT/EP2018/063696 EP2018063696W WO2018228797A1 WO 2018228797 A1 WO2018228797 A1 WO 2018228797A1 EP 2018063696 W EP2018063696 W EP 2018063696W WO 2018228797 A1 WO2018228797 A1 WO 2018228797A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
impact
crankshaft
transition radii
transition
connecting rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/063696
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfons Reeb
Jochen Schmidt
Konrad Grimm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH
Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Original Assignee
Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH
Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH, Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH filed Critical Maschinenfabrik Alfing Kessler GmbH
Publication of WO2018228797A1 publication Critical patent/WO2018228797A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/04—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor designed for working external surfaces of revolution
    • B24B39/045—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor designed for working external surfaces of revolution the working tool being composed of a plurality of working rolls or balls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B23P9/04—Treating or finishing by hammering or applying repeated pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P2700/00—Indexing scheme relating to the articles being treated, e.g. manufactured, repaired, assembled, connected or other operations covered in the subgroups
    • B23P2700/07—Crankshafts

Definitions

  • the invention relates to a method for impact hardening of transition radii of a crankshaft, in particular of transition radii between connecting rod journal and crank webs and / or transitional radii between the main journal and the crank webs of the crankshaft according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an apparatus for carrying out the method for impact hardening of transition radii of a crankshaft.
  • the invention also relates to a crankshaft.
  • crankshafts are manufactured using a variety of machining and heat treatment processes, so that the crankshafts can be exposed to increasingly higher engine power.
  • thermal treatments such as induction hardening and case hardening, laser hardening or nitriding, as well as strain hardening processes such as deep rolling, shot peening or impact hardening.
  • strain hardening processes such as deep rolling, shot peening or impact hardening.
  • the impact hardening is an advantageous method for increasing the fatigue strength, in particular the bending fatigue strength and torsional fatigue, of crankshafts.
  • the increase in fatigue strength is achieved in that impact forces are introduced into the claimed areas in cross-sectional transitions and changes in cross section by cold forming, preferably hammering by means of special impact tools in the crankshaft.
  • strict control procedures and highly qualified personnel are required to carry out the process.
  • a follow-up with corrective measures may be required to slightly correct the concentricity of the crankshaft after impact hardening if necessary.
  • the object of the present invention is therefore to further develop the methods and devices for impact hardening in order to further improve the fatigue strength of crankshafts, in particular while avoiding concentricity errors.
  • the invention is also based on the object of providing an improved crankshaft, in particular with respect to its fatigue strength and concentricity. With respect to the crankshaft, the object is achieved by the features listed in claim 13.
  • transition radii of a crankshaft in particular transition radii between connecting rod journal and crank webs and / or transition radii, are impact-bonded between main bearing journal and the crank webs of the crankshaft.
  • the connecting rod journal and the main journals are hereinafter referred to in part as "pin" for simplicity.
  • journal may mean both the connecting rod journal and the main bearing journals, as well as only the connecting rod journal or only the main journals. Insofar as this is not explicitly stated otherwise, here all three variants are encompassed by the term pin.
  • the invention is particularly preferably suitable for increasing the fatigue strength of, for example, crankshafts having a length of 0.2 to 8 m or more and / or main and connecting rod journal diameters of 30 to 500 mm or more.
  • the invention is particularly suitable for increasing the fatigue strength of large crankshafts of 1, 5 to 8 m in length or more and / or main and connecting rod journal diameter of 100 to 500 mm or more.
  • the crankshaft may have various types of transition radii, for example, fillets, for example, in a basket arch shape, or also undercut radii or radii with transitions.
  • the transition radii can, for example, pass tangentially into the journal positions or running surfaces of the main and connecting rod journal.
  • the crankshaft usually has transition radii at all transitions or cross-sectional changes. This is especially true for cross-sectional changes between journals and crank webs.
  • the invention is particularly suitable. But transition radii can also for any other cross-sectional changes, in particular for changes in cross section at the end portions of the crankshaft, z. B. at a transition to a flange, a disc or a shaft, etc., may be provided.
  • a transition radius the fatigue strength of which is to be improved by the method according to the invention or the device according to the invention, does not necessarily have to be present between a connecting rod journal and a crank web or a main journal and a crank web, but can be arranged at any point of the crankshaft.
  • the terms "connecting rod journal”, “main journal”, “flange”, “pin” and / or “crank arm” can accordingly be reinterpreted by a person skilled in the art.
  • transition radii between connecting rod journal and crank web and / or main journal and crank web.
  • this is not restrictive and should only serve the better understanding or better readability.
  • a transition radius in the context of the invention, this can basically be an arbitrary transition radius at any point of the crankshaft.
  • At least two impact tools are used for impact hardening. It is envisaged that at least one of the percussion tools impact-bonded the transition radii adjacent to the connecting rod journal and at least one other percussive impact-hardened the transition radii adjacent to the main journal, wherein a sequence for the impact hardening of the transition radii is determined such that concentricity error of the crankshaft balanced and / or minimized become.
  • a sequence is to be understood as meaning the time sequence of impact hardening of the individual transition radii. It can be provided, for example, that all transition radii of the crankshaft are successively impact-solidified. It can, for.
  • any number of transition radii can be impact-solidified simultaneously or sequentially-in any desired combinations-with the sequence being selected such that concentricity errors of the crankshaft are compensated and / or minimized.
  • the striking tools which are used for impact hardening, bring a striking force into the respective transition radius during impact hardening.
  • an impact force can be understood to mean that a striking head of a striking tool or a so-called “striker” of a striking device strikes against the region of the crankshaft to be consolidated, in the present case a transition radius.
  • the impact takes place purposefully to the desired impact position along the annular radius around the pin circumferential transition radius.
  • the methods and devices according to the prior art provide that in the Schlagverfes- tion of the transition radii of the crankshaft basically all the transition radii successively, starting from a first end of the crankshaft toward a second end of the crankshaft, are impact-solidified, either only a single percussion tool is used or two striking tools, which, however, are only intended to simultaneously impact-strengthen two transition radii adjoining the same pin.
  • the inventors have realized that sufficient impact flexibility is provided by the use of at least two striking tools, wherein at least one of the striking tools for impact bonding of the connecting rod journal adjacent transition radii and at least one other impact tool for impact hardening of the main journal adjacent transition radii is used can be, whereby the sequence, with the impact-hardened, individually tuned to the respective crankshaft or the respective type of crankshaft that concentricity error of the crankshaft in the optimal case completely excluded and thus the cost of a later concentricity correction is minimized.
  • crankshafts can be made with at least the same quality or robustness, as with the known methods of the prior art.
  • the method according to the invention or the device according to the invention can also be used or used in crankshafts which have been previously processed to increase their fatigue properties by other methods.
  • a crankshaft which has been hardened by induction hardening can be subsequently improved with respect to its bending and torsional fatigue strength by introducing compressive residual stresses according to the method according to the invention or with the device according to the invention.
  • the sequence is determined on the basis of simulations, calculations and / or test series of the respective type of crankshaft.
  • an optimization of the sequence or of the method for impact hardening can take place by firstly producing a crankshaft of a specific type of crankshaft, after which the deformation or concentricity of the crankshaft is measured.
  • the sequence of impact hardening of the transition radii can then be varied, wherein after the production of this crankshaft, this is likewise measured with respect to deformation or concentricity.
  • the sequence for a crankshaft type can then be continuously optimized for concentricity errors on this basis.
  • the sequence for optimum impact hardening to avoid concentricity error may also be the same or similar for crankshaft types of the same or similar configuration.
  • the sequence has a connecting rod bearing subsequence after which the transition radii of the connecting rod journal are first impact-hardened, after which the transition radii of the main journal are impact-hardened in a main bearing subsequence.
  • the sequence has a main bearing subsequence, after which the transition radii of the main bearing journals are first impact-hardened, after which the transition radii of the connecting-rod journals are impact-hardened in a connecting-rod bearing subsequence.
  • a subsequence may be provided for each transition radius type.
  • more than two subsequences can also be provided if there are more than two types of transition radii in the crankshaft which are to be impact-solidified successively.
  • the order which type of transition radius is first impact-hardened can under certain circumstances sufficiently compensate for and / or minimize the problem of concentricity errors.
  • the impact hardening according to the subsequences takes place in each case according to a fixed pattern, preferably according to one of the following schemes, according to which the respective transition radii of the crankshaft
  • impact hardening according to which the impact hardening according to the connecting rod bearing subsequence takes place according to another scheme than the impact hardening according to the main bearing subsequence.
  • transition radii of a first type of transition radii starting from the first end of the crankshaft to the second end of the crankshaft, are successively impact-solidified and the transition radii of another type of transition radii are impact-solidified successively along the opposite direction of the crankshaft, then possibly Compensate for deformation of the crankshaft advantageous, which can lead to a low concentricity error of the crankshaft.
  • Such a "chaotic" scheme may be particularly advantageous in order to avoid concentricity errors of the crankshaft by targeted impact forces are introduced so that concentricity errors are compensated.
  • initially all transition radii of the connecting rod journal are chaotically impact-hardened and subsequently all the transition radii of the main bearing journal are chaotically impact-hardened - or vice versa.
  • the sequence has at least one partial sequence which provides that one or more transition radii of the main bearing journals are impact-hardened, after which one or more transition radii of the connecting-rod journals are then impact-hardened and then again one or more transition radii of the Main bearing pins are impact-hardened.
  • the sequences have at least one partial sequence which provides that one or more transition radii of the connecting rod journal are impact-hardened, after which one or more transition radii of the main journal are then impact-hardened and subsequently one or more transition radii of the connecting rod journal are impact strengthened.
  • a transition-type overlapping chaotic impact hardening is also possible. This also applies to transitions to flanges, cones and other geometric cross-sectional changes - both for tangent and deposited radii alike.
  • a sequence can be provided in which at least two transition radii are simultaneously impact-solidified.
  • two transition radii adjoining the same pin are simultaneously impact-strengthened.
  • the subsequences when using the subsequences, it can be provided that, within a subsequence, several transition radii, in particular transition radii adjoining the same cones, are simultaneously impact-solidified.
  • the subsequences can therefore also refer to groups of transitional radii. Even with a chaotic impact hardening it can be provided that at least two transition radii adjoining the same pin are simultaneously impact-hardened, after which one or more transition radii are subsequently skipped or become. In a further development, it may further be provided that three, four or more impact tools are used for impact hardening.
  • even more striking tools can be provided, for example five, six, seven, eight, nine, ten or even more striking tools.
  • a striking device is used for impact hardening, comprising a percussion piston, a deflection unit and at least one impact tool, wherein the at least one impact tool is attached to the deflection and wherein the percussion piston transmits a force impulse to the at least one impact tool via the deflection according to which the impact head of the at least one impact tool introduces the impact force into the transition radius.
  • a beating device may be used which has two striking tools which are fastened to a common deflection unit.
  • two adjacent to the same pin transition radii can be simultaneously impact strengthened.
  • a plurality of such impact devices may be provided, in particular a striker for each type of transition radius, and most preferably a striker for impact hardening of transition radii adjacent to the connecting rod trunnions and another striker for impact hardening of transition radii adjacent to the main journal.
  • a striker for each type of transition radius and most preferably a striker for impact hardening of transition radii adjacent to the connecting rod trunnions and another striker for impact hardening of transition radii adjacent to the main journal.
  • three, four, five or more impact devices may be provided, wherein the impact devices used also different configurations, eg. B. may have a different number of striking tools.
  • a beating device can be provided with two striking tools as well as a further beating device with only one striking tool.
  • a percussion piston can be used which transmits a strong impulse or a force impulse (eg pneumatically, hydraulically and / or electrically generated) to the impact head.
  • a strong impulse e.g pneumatically, hydraulically and / or electrically generated
  • the difference between the impact forces is at least greater than a tolerance range which is typically present in the introduction of the impact forces in the prior art.
  • the differently introduced impact forces preferably differ significantly. It can be provided, for example, that the impact forces which are introduced into the at least two transition radii differ by at least 2%, preferably by at least 5%, more preferably by at least 10% and most preferably by at least 30%.
  • the methods and devices according to the prior art provide that in the Schlagverfest only the transition radii of the crankshaft in all transition radii, in particular in the transition radii between connecting rod journal and crank webs and the transition radii between main journals and crank webs, the same impact force is introduced.
  • the impact force is chosen such that it is sufficient to bring sufficient compressive residual stresses in all to be solidified transition radii of the crankshaft.
  • the inventors have recognized on the basis of simulations and test series that the robustness or fatigue strength of the crankshaft can be achieved in a consistent - and sometimes even better - quality advantageous even when the impact forces are varied individually for different transition radii. As a result, critical concentricity errors can be completely excluded in the optimum case and thus the effort for a later concentricity correction can be minimized.
  • the inventors have recognized that an improvement of the concentricity does not occur exclusively because in now critical for the concentricity portions of the crankshaft or in transition radii of the crankshaft compared to other sections now also reduced impact force can be introduced, but in particular also because The residual compressive stresses can now be distributed differently over the crankshaft, but in each case the minimum required residual compressive stresses are introduced in each transition radius.
  • Very particularly advantageous concentricity errors of the crankshaft can be compensated and / or minimized if the sequence and the impact forces to be introduced into the individual transition radii are each adapted or determined jointly for the corresponding type of crankshaft.
  • the same impact force is introduced in two adjacent to the same connecting rod journal transition radii.
  • the same impact force is introduced in two transition radii adjoining the same main journal.
  • transition radii in which the same impact force is introduced.
  • two transition radii adjoining the same pin can each form a group.
  • the same impact force is introduced.
  • transition radii of all main journals a Form a group.
  • the transition radii of all connecting rod trunnions may optionally form a group.
  • the inventors have recognized that in order to avoid concentricity errors, it may be advantageous to introduce the same impact force in all transition radii of the main journal and in all transition radii of the connecting rod journal, wherein the impact force which is introduced into the transition radii of the main journal, in this case of the impact force, which is introduced into the transition radii of the connecting rod journal, differs.
  • a first connecting rod journal in the transition radii of a first connecting rod journal a first impact force and in the transition radii of a second connecting rod journal a second (deviating from the first impact) impact force is introduced.
  • an individual impact force can be introduced into the transition radii of each connecting rod journal.
  • a first impact force is introduced into the transition radii of a first main journal and a second impact force (deviating from the first impact force) is introduced into the transition radii of a second main journal.
  • a second impact force (deviating from the first impact force) is introduced into the transition radii of a second main journal.
  • an individual impact force can be introduced into the transition radii of each main journal.
  • the impact forces can thus be determined individually for each transition radius.
  • optimally suitable impact forces and impact patterns can result for each transition radius or at least for different groups of transition radii, wherein concentricity errors can be further suppressed or compensated.
  • the fatigue strength of the crankshaft by this measure even exceed the requirements. This is especially true because at the same time the sequence can be optimized for impact hardening.
  • a base value for the forces to be introduced into the transition radii impact forces is determined based on the desired fatigue strength of the Kur- shaft and / or based on the desired fatigue strength of portions of the crankshaft.
  • a base value for the entire crankshaft which may be a minimum impact force, may be determined at which time the desired fatigue strength is achieved in all Sections of the crankshaft is still guaranteed, or preferably with the addition of a safety margin.
  • the basic value is determined individually for different sections of the crankshaft, such that the desired fatigue strength of the crankshaft is ensured in the respective sections, preferably with the addition of a safety margin.
  • a base value for end portions or end portions of the crankshaft, a base value for a central portion of the crankshaft, a base value for all main journals, a base value for all connecting rod journals and / or a base value for other portions of the crankshaft can be determined.
  • a plurality of base values may also be provided.
  • the base value can also be chosen such that it is a defined percentage, for example 10% to 50%, preferably 20% to 40%, greater than the minimum impact force necessary for the crankshaft or the crankshaft range, so that the base value decreases can be adjusted up and down to impact hardening the transition radii.
  • the base value is varied by an equalization value in order to compensate, avoid and / or minimize concentricity errors of the crankshaft. If a baseline value higher than a minimum value is determined for the impact forces to be introduced into the transition radii (for example by adding at least one margin of safety), the base value can be individually varied by particular compensation values for individual transition radii, in particular increased the minimum value of the impact force to reach the desired fatigue strength at a transition radius is not exceeded. The compensation value can therefore be used specifically to avoid or compensate for concentricity errors.
  • the fatigue strength of the crankshaft and the concentricity of the crankshaft can be adjusted almost independently. It can be provided, for example, that all transition radii of the connecting rod journals are impact-bonded to the base value, and all transition radii of the main journals are impact-hardened with the base value varied by the compensation value, for example a 1 10% value or 90% value based on the base value , Alternatively, it can also be provided that all main bearing journals are impact-hardened with the base value and all connecting rod journals are impact-hardened with the base value varied by the compensation value.
  • the compensation value for several, preferably for each transition radius is determined individually to compensate for runout of the crankshaft, to avoid and / or minimize.
  • the equalization value is a maximum of 30%, but not less than 20%, not more than 20%, but not less than 15%, not more than 15%, but not less than 10%, or not more than 10%, but not less than 5% of the underlying.
  • a position control can be used to rotate the crankshaft step by step from one stroke position to the next stroke position.
  • a PTP control or point control can be provided for this purpose.
  • a drive device may be provided which comprises a motor, in particular an electric motor.
  • the electric motor can be any electric motor, for example a three-phase motor (in particular a three-phase asynchronous machine), an AC motor, a DC motor or a universal motor.
  • a stepper motor can be used.
  • crankshaft d. H. a synchronous drive or double-sided drive of the crankshaft.
  • crankshaft is rotatably fixed for the processing thereof via a fastening device on a drive shaft.
  • the striking tools with a periodicity preferably with a beat frequency of 0.5 Hz to 30 Hz, more preferably with a clock of 0.5 Hz to 5 Hz and most preferably with a clock of 0 , 5 Hz to 3 Hz, perform a flapping motion or bring in the impact force.
  • the impact pressures which are converted by the percussion piston to the impact force, depending on the operation - between 10 and 300 bar, preferably between 30 and 180 bar, and more preferably between 50 and 130 bar, amount.
  • the impact force can therefore be specified by setting a corresponding impact pressure (the percussion piston).
  • a different impact pressure is used for impact hardening of at least two transition radii.
  • at least one base value and at least one compensation value related to the impact pressure may also be provided.
  • the temperature in the region of the crankshaft segment or transition radius to be machined should preferably not be higher than 65 ° C; values between 12 ° C and 25 ° C are preferred.
  • microcracks have no effect on the fatigue properties, but they can disturb the visual appearance.
  • the removal of the surface can be done in various ways, such as by grinding, turning, milling, turn milling, peeling or polishing.
  • the invention also relates to a device for carrying out a method described above for impact hardening of transition radii of a crankshaft, in particular of transition radii between connecting rod journal and crank webs and / or transition radii between the main journal and the crank webs of the crankshaft.
  • the device is also suitable for impact hardening of transitions to flanges, cones and other geometrical cross-sectional changes - both tangent and deposited radii.
  • some of the components of the device according to the invention may correspond in their construction to the device according to EP 1 716 260 B1, for which reason the disclosure content of EP 1 716 260 B1 is completely integrated into the present disclosure by referencing.
  • the invention also relates to a computer program with program code means in order to carry out the method according to the invention when the program is executed on a control and / or regulating device, in particular on a microprocessor.
  • the invention also relates to a crankshaft manufactured according to a method described above.
  • the crankshaft according to the invention differs from conventional crankshafts in particular in that during the impact hardening a specific sequence or sequence was used when introducing the internal compressive stresses into the transition radii.
  • a characteristic hardening of the transition radii of the crankshaft and a characteristic deformation or a characteristic concentricity of the crankshaft can result overall.
  • the crankshaft may differ from conventional crankshafts in that different strengths of impact force have been introduced into at least two transition radii for their solidification according to a variant of the invention.
  • FIG. 1 shows an overall view of a device according to the invention for carrying out the method of a first embodiment
  • FIG. 2 shows a perspective view of a part of the device according to the invention for carrying out the method in a second embodiment
  • FIG. 3 shows a striking device with two impact tools in an enlarged view according to detail "A" of Fig. 1.
  • FIG. 5 shows an exemplary crankshaft and its striking hardening with two impact devices
  • FIG. 6 shows an exemplary detail of a crankshaft and a force diagram.
  • the device shown in Figure 1 in an overall view basically corresponds in its structure to the devices according to DE 34 38 742 C2 and EP 1 716 260 B1 with one or more impact devices 1, which is why hereinafter only on the essential parts and on the differences to the prior Technology is discussed in more detail.
  • the device has a machine bed 2 and a drive device 3.
  • the drive device 3 is used to bring or rotate a crankshaft 4 along a direction of rotation in an impact position.
  • crankshaft 4 has connecting rod journal 5 and main journal 6, between which each crank webs 7 are arranged on.
  • Transverse radii 8 (cf., FIGS. 3 to 6) are formed between connecting rod journal 5 and crank webs 7 and between main bearing journal 6 and crank webs 7 or generally between cross-sectional transitions of crankshaft 4.
  • a fastening device 9 On the side facing the drive device 3 side of the crankshaft 4, a fastening device 9 is provided, which has a clamping disk or a mounting flange 10.
  • a support 1 1 On the side facing away from the drive device 3 side of the crankshaft 4, a support 1 1 is preferably provided in the manner of a tailstock, which has a further fastening means 9 to receive the crankshaft 4 rotatable bar or rotatable set.
  • a Lü- nice which is positioned at a rotationally symmetrical location, may be provided.
  • the drive device 3 is able to set the crankshaft 4 along a rotation axis C in a rotational movement. It can be provided that the main axis of rotation C K w of the crankshaft 4 is positioned off-center of the axis of rotation C of the drive device 3, as shown in Figure 1 and Figure 2.
  • alignment means 17 may preferably be provided in the region of the fastening device 9. It can be provided that the alignment means 17 a center axis of each to be solidified pin 5, 6 shift so that the central axis of the pin 5, 6 is located on the axis of rotation C.
  • a direct drive preferably without a clutch
  • An engine, preferably an electric motor, of the drive device 3 can thus be mechanically coupled without transmission or transmission to the fastening device 9 or to the crankshaft 4.
  • the impact devices 1 described in more detail below by way of example are each held adjustably in a displacement and adjusting device 15 in order to adapt them to the position of the connecting rod journal 5 and the main bearing journal 6 and to the length of the crankshaft 4.
  • the support 1 1 can also be arranged to be displaceable, as indicated by the double arrows in FIG.
  • At least two impact tools 16 are used, wherein at least one of the impact tools 16 impact-bonded the transition radii 8 adjacent to the connecting rod journal 5 and at least one further impact tool 16 impact-solidifies the transition radii 8 adjacent to the main journal 6, wherein a Sequence for the impact hardening of the transition radii 8 is determined such that concentricity errors of the crankshaft 4 are compensated and / or minimized.
  • two impact devices 1 are shown, but in principle any number of impact devices 1 may be provided, according to the invention at least one impact tool 16 for impact hardening of the transition radii 8 of the main bearing pin 6 and a percussion tool 16 for impact hardening of the transition radii 8 of the connecting rod journal 5 is provided ,
  • At least one impact device 1 is designed and set up for impact hardening of the transition radii 8 of the main bearing journals 6 and a
  • Impact device 1 for impact hardening of the transition radii 8 of the connecting rod journal 5 is formed and arranged, as shown in Figure 1.
  • FIG. 2 is a fragmentary perspective view of a further device for carrying out the method according to the invention, but without a beating device.
  • the device of FIG. 2 is essentially identical to the device of FIG. 1, for which reason reference will be made below only to the essential differences in detail.
  • a drive device 3 is provided.
  • a fastening device 9 is provided which has a mounting flange 10 and an attached face plate with clamping jaws for fixing the crankshaft 4.
  • the face plate with the clamping jaws of the fastening device 9 is adjustably arranged on the mounting flange 10 on an alignment means 17, whereby the longitudinal axis C K w of the crankshaft 4 can be displaced relative to the axis of rotation C of a drive shaft or an input shaft 13.
  • crankshaft 4 of FIG. 2 has a configuration differing from that shown in FIG. 1, but basically also includes connecting rod journal 5, main bearing journal 6 and crank webs 7.
  • FIG. 3 shows, by way of example, a beating device 1 of FIG. 1 in greater detail.
  • the invention can in principle be implemented with any impactor 1.
  • the impact device 1 described below is particularly suitable. It has a base body 18 which can be provided with a prismatic system according to the radius of the crankshaft segment to be machined and preferably has guides 19 which guide two striking tools 16 in their support plane and give them a corresponding freedom about a deflection unit 20 for adaptation to the dimensional conditions of the crankshaft 4 is advantageous.
  • At the front ends of the two impact tools 16 each have a ball is arranged as a striking head 21.
  • An intermediate part 22 establishes the connection between a percussion piston 23 and the deflection unit 20, which transmits the impact energy to the impact tools 16.
  • the intermediate part 22 may optionally be omitted.
  • the same impact force F s is introduced in two adjacent to the same connecting rod journal 5 transition radii 8.
  • the same impact force F s is introduced in two transition radii 8 adjoining the same main journal 6. But it can also be provided in principle that in all transition radii 8, the same impact force F s is introduced.
  • a beating device 1 shown in FIG. 3 is particularly suitable for this purpose. It can also be provided that a beating device 1 with two impact tools 16 is configured such that the impact tools 16 introduce a respective different impact force F s into the transition radii 8 adjoining the same journal 5, 6. To increase the effectiveness of the impact, a clamping prism 24 can be fastened by means of springs 25 with adjustable clamping bolts 26 with clamping nuts 27 on the side of the journal 5, 6 facing away from the main body 18.
  • springs 25 with adjustable clamping bolts 26 with clamping nuts 27 on the side of the journal 5, 6 facing away from the main body 18.
  • any number of striking tools for example two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten or more may be meant or singular is for readability only and not restrictive.
  • the percussion piston 23 transmits a force impulse to the percussion tools 16 via the deflecting unit 20, whereafter the striking heads 21 of the percussion tools 16 introduce the striking force F s into the transition radii 8.
  • FIG. 4 shows a striking device 1, which is provided with only one striking tool 16.
  • the impactor 1 is preferably inclined to the crankshaft 4, in such a way that the impact tool 16 which is arranged coaxially to the longitudinal axis of the impactor 1, perpendicular to the region of the crankshaft segment to be machined, in this case the transition radius to be machined 8, incident.
  • the structural design and the power transmission of the impact device 1 are better and simpler for this purpose.
  • bore ends can be solidified with this tool standing.
  • This embodiment proves to be particularly advantageous for use on non-symmetrical crankshaft segments, such as the end regions and the oil bore ends of the crankshaft 4.
  • the design of the beating device 1 shown in Figure 4 with only a percussion tool 16 is also particularly suitable when the same pin 5, 6 adjacent transition radii 8 are to be impact-solidified with different degrees of impact F s .
  • the striking devices 1 shown in FIG. 1 or basically the beating devices 1 used for the invention may be a beating device 1 according to FIG. 3 or according to FIG. 4 or any other beating device 1 in any combination. According to the invention, it is important that at least one impact tool 16 is used for impact hardening of the transition radii 8 adjoining the connecting rod journal 5 and at least one further impact tool 16 for impact hardening of the transition radii 8 adjoining the main bearing journal 6.
  • sequence for impact hardening is determined on the basis of simulations, calculations and / or test series of the respective type of crankshaft.
  • transition radii 8 are simultaneously impact-solidified, for example with a beating device 1 with two striking tools 16 according to FIG. 3.
  • FIG. 5 shows an exemplary crankshaft 4 with respective transition radii 8 between connecting rod journal 5 and crank web 7 or main journal 6 and crank web 7 and further cross-sectional transitions with transition radii 8.
  • Two impact devices 1 in a configuration with two striking tools 16 according to FIG. 3 are indicated schematically by way of example.
  • the crankshaft 4 has a first end Ei and a second end E 2 .
  • the sequence for impact hardening has a connecting rod bearing subsequence A, after which first the transition radii 8 of the connecting rod journal 5 are impact-hardened, after which the transition radii 8 of the main bearing pins 6 are impact-strengthened in a main bearing subsequence B.
  • This is shown in Figure 5 by corresponding arrows.
  • the conrod bearing pin 5 associated impact device 1 along the length of the crankshaft 4 is moved from left to right to successively schlagzuverfestigen all connecting rod journal 5.
  • any number of transition radii 8 of the connecting rod journal 5 can be impact-solidified simultaneously and / or sequentially.
  • the transition radii 8 of the main bearing journals 6 can then be impact-hardened in accordance with the second main bearing subsequence B.
  • the impact device 1, which is assigned to the transition radii 8 of the main bearing journals 6 (in FIG. 5, the impact device 1 at the bottom right), can be moved from right to left of main bearing journals 6 are moved to main journal 6 to successively beat each two transition radii 8 of the main journals 6.
  • any number of transition radii 8 of the main bearing journals 6 can be impact-strengthened simultaneously and / or successively with any number of impact devices 1 and / or impact tools 16.
  • the subsequence provided first would be the main stock subsequence B, as shown in FIG. 5, and the subsequence provided below is the conrod subsequence A.
  • the impact hardening according to the subsequences A, B takes place in each case according to a defined scheme, preferably according to one of the following schemes described. For example, from the first end Ei of the crankshaft 4 toward the second end E 2 of the crankshaft 4 or from the center M of the crankshaft 4 to the ends E 1: E 2 or from the ends E 1: E 2 of the crankshaft 4 to whose center M are impact-strengthened, after which the impact hardening according to the connecting rod bearing subsequence A takes place according to a different scheme than the impact hardening according to the main bearing subsequence B.
  • a scheme is provided for the connecting rod bearing subsequence A, according to which the crankshaft 4 is impact-hardened by the first end Ei of the crankshaft 4 in the direction of the second end E 2 , whereas the main bearing subsequence B is designed is to zzizuverfestigen of the second end E 2 of the crankshaft 4 in the direction of the first end Ei of the crankshaft 4.
  • the percussion device 1 of the transitional radii 8 at the positions P ⁇ and P 2 may, for example, in a scheme of connecting rod bearing subsequence A subsequent to the transition radii 8 at positions P 5 and P 6, subsequently to the transition radii 8 at positions P 9 or P 10 and finally to the transition radii 8 of the positions P 13 and P 14 are moved.
  • the scheme of the main bearing sub-sequence B it may be provided, for example, that the impactor 1 of the transition radii 8 at the positions P and P 12 following the transition radii 8 at the positions P 7 and P 8 and finally to the transition radii 8 the positions P 3 and P 4 is moved.
  • the striking hardening according to at least one of the subsequences A, B provides a scheme in which at least in one case after impact hardening of a transition radius 8 at least one of the adjacent transition radii 8 is skipped and initially a further away transition radius 8 is impact-strengthened.
  • the transition radii 8 at the positions P and P 2 could be simultaneously simultaneously or successively impact-hardened, after which the transition radii 8 are simultaneously impact-hardened at the positions P 13 and P 14 , after which the transition radii 8 of the middle Pleuellagerzapfen 5 at the positions P 5 and P 6 or P 9 and P 10 are simultaneously or successively impact-solidified.
  • Such a "chaotic" impact hardening can also be provided analogously for main bearing subsequence B during impact hardening of the transition radii 8 of the main bearing journals 6.
  • the sequence has at least one partial sequence which provides that one or more transition radii 8 of the main bearing journals 6 are impact-hardened, after which one or more transition radii 8 of the connecting rod journals 5 are subsequently impact-hardened and then again one or more transition radii 8 Main bearing pin 6 impact-strengthened.
  • the sequence has at least one partial sequence which provides that one or more transition radii 8 of the connecting rod journals 5 are impact-hardened, after which one or more transition radii 8 of the main bearing journals 6 are subsequently impact-strengthened and then again one or more transition radii 8 of the connecting rod journal 5 are impact-strengthened.
  • the temporal sequence in the course of the subsequences A, B can thus also overlap or interleave.
  • the impactor 1, which is assigned to the connecting rod journal 5 are first used to schlagzuverf the transition radii 8 at the positions or P 2 , after which the impactor 1, which is associated with the main journal 6 is used to the transition radii eighth at the positions P 3 and P 4 impact, after which the impactor 1, which is assigned to the connecting rod journal 5, is subsequently used again to schlagzuverfestigen one or more transition radii 8 of the connecting rod journal 5, etc.
  • FIG. 6 shows an exemplary detail of a crankshaft 4 with respective transition radii 8 between connecting rod journal 5 and crank webs 7 and main journal 6 and crank webs 7.
  • the same impact force F s is introduced into the transition radii 8 of at least two main bearing journals 6, preferably into the transition radii 8 of all main bearing journals 6.
  • the same impact force F s is introduced into the transition radii 8 of at least two connecting rod journal 5, preferably into the transition radii 8 of all connecting rod journal 5.
  • a second impact force F s is introduced in the transition radii 8 of a first connecting rod journal 5, a first impact force F s and in the transition radii 8 of a second connecting rod journal 5, a second impact force F s is introduced.
  • an individual impact force F s is introduced into the transition radii 8 of each connecting rod journal 5.
  • an individual impact force F s is introduced into the transition radii 8 of each main bearing journal 6.
  • an underlying value F 0 for the impact forces F s to be introduced into the transition radii 8 is determined on the basis of the desired fatigue strength of the crankshaft 4 and / or on the basis of the desired fatigue strength of sections of the crankshaft 4.
  • the base value F 0 is varied by a compensation value F A in order to compensate, avoid and / or minimize concentricity errors of the crankshaft 4.
  • FIG. 6 schematically shows a force diagram for this purpose.
  • the impact force F s is based on a base value F 0, on the basis of which the compensation value F A effects an additive or subtractive modification.
  • the base value F 0 and the compensation value F A are selected such that a minimum impact force F min , which is required at the respective transition radius 8, is not exceeded.
  • a safety margin is additionally provided.
  • the compensation value F A is determined individually for a plurality (preferably for each) transition radius 8 in order to compensate, avoid and / or minimize concentricity errors of the crankshaft 4.
  • FIG. 6 shows the situation or the force diagram only as an example for a transition radius 8. However, this is not meant to be limiting.
  • the compensation value F A is at most 30%, preferably at most 15%, particularly preferably at most 5% of the base value F 0 .
  • the compensation value F A is at most 30%, but at least 20%, at most 20%, but at least 15%, at most 15%, but at least 10%, or at most 10%, but at least 5%, of the underlying F 0 is.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4). Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Schlagwerkzeuge (16) zum Schlagverfestigen eingesetzt werden, wobei wenigstens eines der Schlagwerkzeuge (16) die an die Pleuellagerzapfen (5) angrenzenden Übergangsradien (8) schlagverfestigt und wenigstens ein weiteres Schlagwerkzeug (16) die an die Hauptlagerzapfen (6) angrenzenden Übergangsradien (8) schlagverfestigt, wobei eine Sequenz für das Schlagverfestigen der Übergangsradien (8) derart bestimmt ist, dass Rundlauffehler der Kurbelwelle (4) ausgeglichen und/oder minimiert werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schlagverfestigen von Überqangsradien einer Kurbelwelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangs- radien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Kurbelwelle.
Aufgrund der stetig fortschreitenden Entwicklung und Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen und an diese gestellte strengen Emissionsforderungen werden heutige Motoren in Folge immer stärker bean- sprucht. Aus diesem Grund stellt die Motorenindustrie unter anderem an die hochbelastete und für die Funktion einer Brennkraftmaschine wichtige Kurbelwelle hohe Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit. Konstruktiv besteht dabei häufig die Anforderung, dass die Kurbelwelle leicht und der Platzbedarf gering sein soll. Für die Auslegung der Kurbelwelle bedeutet dies, dass eine Erhöhung der Beanspruchbarkeit nicht über die Erhöhung des Querschnitts, also über das Widerstandsmoment der Kurbelwelle, sondern möglichst über lokale Druckeigenspannungszustände erzielt werden sollte. Aus diesem Grund werden moderne Kurbelwellen unter Verwendung der verschiedensten Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren hergestellt, so dass die Kurbelwellen immer höheren Motorleistungen ausgesetzt werden können. Beispiele für solche Verfahren sind thermische Behandlungen, wie die Oberflächenhärteverfahren Induk- tions- und Einsatzhärten, Laserhärten oder Nitrieren, sowie Kaltverfestigungsverfahren, wie Festwalzen, Kugelstrahlen oder Schlagverfestigen. Hierbei handelt es sich um gängige und zum großen Teil ausgereifte Verfahren, die für die verschiedensten Einsatzzwecke geeignet sind. Hinsichtlich Beispielen für solche Verfahren wird auf die folgenden Druckschriften verwiesen: EP 1 479 480 A1 , EP 0 788 419 B1 , EP 1 612 290 A1 , DE 10 2007 028 888 A1 und EP 1 034 314 B1 .
Insbesondere das Schlagverfestigen ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Steigerung der Dauerschwingfestigkeit, insbesondere der Biegewechselfestigkeit und der Torsionswechselfestigkeit, von Kurbelwellen. Die Steigerung der Dauerfestigkeit wird dabei dadurch erreicht, dass in die beanspruchten Bereiche bei Querschnittsübergängen und Querschnittsänderungen durch Kaltverformen, vorzugsweise Hämmern mittels spezieller Schlagwerkzeuge, in die Kurbelwelle Schlagkräfte eingebracht werden. Als Beispiel für ein derartiges Verfahren wird auf die DE 34 38 742 C2 und die EP 1 716 260 B1 verwiesen. Um ein nachteiliges Einbringen von Rundlauffehlern durch das Hämmern zu vermeiden, sind strenge Kontrollabläufe und hochqualifiziertes Personal zur Durchführung des Verfahrens erforderlich. Ferner kann eine Nachkontrolle mit korrigierenden Maßnahmen erforderlich sein, um den Rundlauf der Kurbelwelle nach der Schlagverfestigung gegebenenfalls geringfügig zu korrigieren. Obwohl ein optimaler Rundlauf der fertiggestellten Kurbelwelle durch die langjährig bewährten Verfahren grundsätzlich garantiert werden kann, sind der maschinelle und personelle Aufwand um dieses Ziel zu erreichen verhältnismäßig groß. Es wäre demnach wünschenswert, ein Verfahren zum Schlagverfestigen bereitzustellen, bei dem Rundlauffehler mit geringerem Aufwand vermieden werden können. Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die Verfahren und Vorrichtungen zum Schlagverfestigen weiter zu entwickeln, um die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen weiter zu verbessern, insbesondere unter Vermeidung von Rundlauffehlern.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale und für die Vor- richtung zur Durchführung des Verfahrens durch die in Anspruch 12 aufgeführten Merkmale gelöst.
Schließlich liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, eine - insbesondere bezüglich ihrer Dauerfestigkeit und ihrem Rundlauf - verbesserte Kurbelwelle bereitzustellen. Bezüglich der Kurbelwelle wird die Aufgabe durch die in Anspruch 13 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schlagverfestigen ist vorgesehen, dass Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle schlagverfestigt werden. Die Pleuellagerzapfen und die Hauptlagerzapfen werden zur Vereinfachung nachfolgend teilweise auch nur als "Zapfen" bezeichnet. Der Begriff Zapfen kann dabei sowohl die Pleuellagerzapfen und die Hauptlagerzapfen bezeichnen, als auch nur die Pleuellagerzapfen oder nur die Hauptlagerzapfen. Insofern dies nicht explizit anders angegeben ist, sind hier alle drei Varianten durch den Begriff Zapfen umfasst. Besonders bevorzugt eignet sich die Erfindung zur Steigerung der Dauerfestigkeit von beispielsweise Kurbelwellen mit 0,2 bis 8 m Länge oder mehr und/oder Haupt- und Pleuellagerzapfendurchmesser von 30 bis 500 mm oder mehr. Ganz besonders eignet sich die Erfindung allerdings zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Großkurbelwellen von 1 ,5 bis 8 m Länge oder mehr und/oder Haupt- und Pleuellagerzapfendurchmesser von 100 bis 500 mm oder mehr. Die Kurbelwelle kann verschiedene Arten von Übergangsradien, beispielsweise Hohlkehlen, zum Beispiel in Korbbogenform, oder auch hinterschnittene bzw. hinterlegte Radien bzw. Radien mit Übergängen, aufweisen. Die Übergangsradien können beispielsweise tangierend in die Lagerzapfenstellen bzw. Laufflächen der Haupt- und Pleuellagerzapfen übergehen.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Üblicherweise weist die Kurbelwelle an allen Übergängen bzw. Querschnittsänderungen Übergangsradi- en auf. Dies gilt insbesondere für Querschnittsänderungen zwischen Lagerzapfen und Kurbelwangen. Hierfür eignet sich die Erfindung in besonderer Weise. Übergangsradien können aber auch für beliebige andere Querschnittsänderungen, insbesondere für Querschnittsänderungen an den Endpartien der Kurbelwelle, z. B. bei einem Übergang auf einen Flansch, eine Scheibe oder eine Welle etc., vorgesehen sein. Ein Übergangsradius, dessen Dauerfestigkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die er- findungsgemäße Vorrichtung verbessert werden soll, muss somit nicht unbedingt zwischen einem Pleuellagerzapfen und einer Kurbelwange oder einem Hauptlagerzapfen und einer Kurbelwange vorliegen, sondern kann an einer beliebigen Stelle der Kurbelwelle angeordnet sein. Die Begriffe "Pleuellagerzapfen", "Hauptlagerzapfen", "Flansch", "Zapfen" und/oder "Kurbelwange" können dementsprechend von einem Fachmann umgedeutet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung im Wesentlichen anhand der Verfestigung von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwange und/oder Hauptlagerzapfen und Kurbelwange beschrieben. Dies ist aber nicht einschränkend zu verstehen und soll nur dem besseren Verständnis bzw. der besseren Lesbarkeit dienen. Insofern im Rahmen der Erfindung auf einen Übergangsradius Bezug genommen wird kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Übergangsradius an einer beliebigen Stelle der Kurbelwelle handeln.
Erfindungsgemäß werden wenigstens zwei Schlagwerkzeuge zum Schlagverfestigen eingesetzt. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Schlagwerkzeuge die an die Pleuellagerzapfen angrenzenden Übergangsradien schlagverfestigt und wenigstens ein weiteres Schlagwerkzeug die an die Hauptlagerzapfen angrenzenden Übergangsradien schlagverfestigt, wobei eine Sequenz für das Schlagverfestigen der Übergangsradien derart bestimmt ist, dass Rundlauffehler der Kurbelwelle ausgeglichen und/oder minimiert werden. Unter einer Sequenz ist die zeitliche Abfolge der Schlagverfestigung der einzelnen Übergangsradien zu verstehen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien der Kurbelwelle nacheinander schlagverfestigt werden. Es kann z. B. aber auch vorgesehen sein, dass zwei Übergangsradien der Kurbelwelle gleichzeitig schlagverfestigt werden, wonach die nächsten (beispielsweise zwei) Übergangsradien der Kurbelwelle schlagverfestigt werden oder dass drei Übergangsradien der Kurbel- welle gleichzeitig schlagverfestigt werden, wonach die nächsten Übergangsradien der Kurbelwelle ent- sprechend schlagverfestigt werden, usw. Innerhalb der Sequenz können also beliebig viele Übergangsradien gleichzeitig oder nacheinander - in beliebigen Zusammenstellungen - schlagverfestigt werden, wobei die Sequenz derart ausgewählt wird, dass Rundlauffehler der Kurbelwelle ausgeglichen und/oder minimiert werden.
Die Schlagwerkzeuge, die zum Schlagverfestigen eingesetzt werden, bringen bei der Schlagverfestigung eine Schlagkraft in den jeweiligen Übergangsradius ein.
Unter dem Einbringen einer Schlagkraft kann verstanden werden, dass ein Schlagkopf eines Schlag- Werkzeugs bzw. ein sog. "Döpper" einer Schlageinrichtung gegen den zu verfestigenden Bereich der Kurbelwelle, vorliegend einen Übergangsradius, schlägt. Der Schlag erfolgt dabei zielgerichtet auf die gewünschte Schlagposition entlang des ringförmig um den Zapfen umlaufenden Übergangsradius.
Die Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sehen vor, dass bei der Schlagverfes- tigung der Übergangsradien der Kurbelwelle grundsätzlich alle Übergangsradien nacheinander, ausgehend von einem ersten Ende der Kurbelwelle in Richtung zu einem zweiten Ende der Kurbelwelle, schlagverfestigt werden, wobei entweder nur ein einziges Schlagwerkzeug Verwendung findet oder zwei Schlagwerkzeuge, die allerdings lediglich dazu vorgesehen sind, zwei an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien gleichzeitig schlagzuverfestigen.
Es hat sich herausgestellt, dass diese Art der Schlagverfestigung bezüglich der maximal einbringbaren Druckeigenspannung limitiert ist, da sich eine Verformung der Kurbelwelle, die zu Rundlauffehlern nach dem Verdichten führt, einstellen kann, wenn die jeweiligen Schlagkräfte zu hoch gewählt werden. Aus diesem Grund wird die Schlagkraft üblicherweise limitiert, um sicherzustellen, dass keine oder nur gerin- ge Rundlauffehler auftreten.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung von wenigstens zwei Schlagwerkzeugen, wobei wenigstens eines der Schlagwerkzeuge zur Schlagverfestigung der an die Pleuellagerzapfen angrenzenden Übergangsradien und wenigstens ein weiteres Schlagwerkzeug zur Schlagverfestigung der an die Hauptlagerzapfen angrenzenden Übergangsradien verwendet wird, eine ausreichende Flexibilität bei der Schlagverfestigung bereitgestellt werden kann, wodurch sich die Sequenz, mit der schlagverfestigt wird, individuell derart auf die jeweilige Kurbelwelle bzw. den jeweiligen Kurbelwellentyp abstimmen lässt, dass Rundlauffehler der Kurbelwelle im Optimalfall vollständig ausgeschlossen und damit der Aufwand für eine spätere Rundlaufkorrektur minimiert wird.
Durch die Erfindung ergibt sich durch die Reduzierung der Bearbeitungsschritte auch ein kostengünstiger Bearbeitungsablauf. Insbesondere kann eine weniger spanende Bearbeitung für einen Ausgleich der Rundlauffehler in der Folgebearbeitung realisierbar sein. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verbesserung des Rundlaufs insbesondere dadurch eintreten kann, dass die Druckeigenspannungen in einer flexiblen zeitlichen Abfolge (z. B. "chaotisch") über die Kurbelwelle verteilt eingebracht werden. Schließlich können in jeden einzelnen Übergangsradius sogar höhere Druckeigenspannungen bzw. Schlagkräfte eingebracht werden, als dies mit dem bekannten Stand der Technik möglich ist, da Rundlauffehler durch eine geeignete Sequenz ausgeglichen und/oder minimiert werden können.
Schließlich kann die Prozessgeschwindigkeit für die Herstellung der Kurbelwelle maximiert werden, da Rundlauffehler durch eine geeignete Sequenz für das Schlagverfestigen der Übergangsradien bereits vermieden werden, bevor sie überhaupt entstehen können. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit besonders effizient und wirtschaftlich. Gleichzeitig können Kurbelwellen mit zumindest gleicher Güte bzw. Robustheit hergestellt werden, als mit den bekannten Verfahren des Stands der Technik. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch bei Kurbelwellen angewendet bzw. eingesetzt werden, die bereits vorher zur Steigerung ihrer Dauerfestigkeitseigenschaften durch andere Verfahren bearbeitet worden sind. So kann zum Beispiel eine Kurbelwelle, die durch Induktionshärten gehärtet wurde, nachträglich noch bezüglich ihrer Biege- und Torsionswechselfestigkeit durch eine Einbringung von Druckeigenspannungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sequenz auf Basis von Simulationen, Berechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps bestimmt wird. Beispielsweise kann eine Optimierung der Sequenz bzw. des Verfahrens zum Schlagverfestigen erfolgen, indem zunächst eine Kurbelwelle eines bestimmten Kurbelwellentyps hergestellt wird, wonach die Verformung bzw. der Rundlauf der Kurbelwelle vermessen wird. Im Verlauf der Herstellung einer weiteren Kurbelwelle dieses Kurbelwellentyps kann dann die Sequenz der Schlagverfestigung der Übergangsradien variiert werden, wobei nach der Herstellung dieser Kurbelwelle diese ebenfalls bezüglich Verfor- mung bzw. Rundlauf vermessen wird. Durch einen Vergleich der Kurbelwellen kann dann auf dieser Basis die Sequenz für einen Kurbelwellentyp stetig hinsichtlich der Rundlauffehler optimiert werden.
Wenn bereits Erfahrungen, beispielsweise durch Simulationen, Berechnungen und/oder Versuchsreihen, mit einem Kurbelwellentyp gesammelt wurden, können auch Algorithmen bzw. Berechnungen zur Über- tragung der Ergebnisse auf einen anderen Kurbelwellentyp, insbesondere einen ähnlichen Kurbelwellentyp, vorgesehen sein. Die Sequenz für eine optimale Schlagverfestigung zur Vermeidung von Rundlauffehler kann für Kurbelwellentypen mit gleicher oder ähnlicher Konfiguration ebenfalls gleich oder ähnlich ausfallen. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sequenz eine Pleuellager- Untersequenz aufweist, nach der zunächst die Übergangsradien der Pleuellagerzapfen schlagverfestigt werden, wonach in einer Hauptlager-Untersequenz die Übergangsradien der Hauptlagerzapfen schlagverfestigt werden.
In einer alternativen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Sequenz eine Hauptlager- Untersequenz aufweist, nach der zunächst die Übergangsradien der Hauptlagerzapfen schlagverfestigt werden, wonach in einer Pleuellager-Untersequenz die Übergangsradien der Pleuellagerzapfen schlagverfestigt werden.
Es kann also eine Untersequenz für jeden Übergangsradientyp vorgesehen sein. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Untersequenzen vorgesehen sein, wenn mehr als zwei Typen von Übergangsradien in der Kurbelwelle vorliegen, die nacheinander schlagverfestigt werden sollen. Die Reihenfolge, welcher Übergangsradientyp zuerst schlagverfestigt wird, kann unter Umständen die Problematik von Rundlauffehlern bereits ausreichend ausgleichen und/oder minimieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Schlagverfestigung gemäß der Untersequenzen jeweils nach einem festgelegten Schema erfolgt, vorzugsweise nach einem der nachfolgenden Schemata, wonach die jeweiligen Übergangsradien der Kurbelwelle
von einem ersten Ende der Kurbelwelle in Richtung zu einem zweiten Ende der Kurbelwelle oder von der Mitte der Kurbelwelle zu deren Enden oder
von den Enden der Kurbelwelle zu deren Mitte
schlagverfestigt werden, wonach die Schlagverfestigung gemäß der Pleuellager-Untersequenz nach ei- nem anderen Schema erfolgt als die Schlagverfestigung gemäß der Hauptlager-Untersequenz.
Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen ausgehend von dem ersten Ende der Kurbelwelle in Richtung auf das zweite Ende der Kurbelwelle und alle Übergangsradien der Hauptlagerzapfen ausgehend von dem zweiten Ende der Kurbelwelle zu dem ersten Ende der Kurbelwelle schlagzuverf estigen. Dieses Prinzip kann ebenfalls auf beliebige Typen von Übergangsradien übertragen werden, insbesondere auf Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Wenn beispielsweise die Übergangsradien eines ersten Typs von Übergangsradien, ausgehend von dem ersten Ende der Kurbelwelle zu dem zweiten Ende der Kurbelwelle, nacheinander schlagverfestigt werden und die Übergangsradien eines weiteren Typs von Übergangsradien nacheinander entlang der entgegengesetzten Richtung der Kurbelwelle schlagverfestigt werden, kann sich ggf. eine Verformung der Kurbelwelle vorteilhaft ausgleichen, was zu einem geringen Rundlauffehler der Kurbelwelle führen kann. In einer Weiterbildung der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass die Schlagverfestigung nach wenigstens einer der Untersequenzen ein Schema vorsieht, bei dem wenigstens in einem Fall nach der Schlagverfestigung eines Übergangsradius zumindest einer der benachbarten Übergangsradien übersprungen und zunächst ein weiter entfernter Übergangsradius schlagverfestigt wird.
Ein derartiges "chaotisches" Schema kann besonders vorteilhaft sein, um Rundlauffehler der Kurbelwelle zu vermeiden, indem gezielt Schlagkräfte derart eingebracht werden, dass Rundlauffehler ausgeglichen werden. Vorzugsweise werden zunächst alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen chaotisch schlagverfestigt und nachfolgend alle Übergangsradien der Hauptlagerzapfen chaotisch schlagverfestigt - oder umgekehrt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sequenz wenigstens eine Teilse- quenz aufweist, welche vorsieht, dass einer oder mehrere Übergangsradien der Hauptlagerzapfen schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien der Pleuellagerzapfen schlagverfestigt werden und anschließend wieder einer oder mehrere Übergangsradien der Hauptlagerzapfen schlagverfestigt werden. In einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Sequenzen wenigstens eine Teilsequenz aufweist, welche vorsieht, dass einer oder mehrere Übergangsradien der Pleuellagerzapfen schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien der Hauptlagerzapfen schlagverfestigt werden und anschließend wieder einer oder mehrere Übergangsradien der Pleuellagerzapfen schlagverfestigt werden.
Auch eine Übergangsradientyp-Übergreifende chaotische Schlagverfestigung ist somit möglich. Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien gleichermaßen. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine Sequenz vorgesehen sein, bei der wenigstens zwei Übergangsradien gleichzeitig schlagverfestigt werden.
Vorzugsweise werden zwei an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien gleichzeitig schlagverfestigt.
Beispielsweise kann bei Verwendung der Untersequenzen vorgesehen sein, dass innerhalb einer Untersequenz mehrere Übergangsradien, insbesondere an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien, gleichzeitig schlagverfestigt werden. Die Untersequenzen können sich also auch auf Gruppen von Übergangsradien beziehen. Auch bei einer chaotischen Schlagverfestigung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien gleichzeitig schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien übersprungen wird bzw. werden. In einer Weiterbildung kann ferner vorgesehen sein, dass drei, vier oder mehr Schlagwerkzeuge zum Schlagverfestigen eingesetzt werden.
Es können grundsätzlich auch noch mehr Schlagwerkzeuge vorgesehen sein, beispielsweise fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder noch mehr Schlagwerkzeuge.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Schlagverfestigen eine Schlageinrichtung verwendet wird, die einen Schlagkolben, eine Umlenkeinheit und wenigstens ein Schlagwerkzeug aufweist, wobei das wenigstens eine Schlagwerkzeug an der Umlenkeinheit befestigt ist und wobei der Schlagkolben über die Umlenkeinheit einen Kraftstoß auf das wenigstens eine Schlagwerkzeug überträgt, wonach der Schlagkopf des wenigstens einen Schlagwerkzeugs die Schlagkraft in den Übergangsradius einbringt.
Vorzugsweise kann eine Schlageinrichtung verwendet werden, die zwei Schlagwerkzeuge aufweist, die an einer gemeinsamen Umlenkeinheit befestigt sind. Insbesondere bei Verwendung einer derartigen Schlageinrichtung können zwei an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien gleichzeitig schlagverfestigt werden.
Vorzugsweise können mehrere derartige Schlageinrichtungen vorgesehen sein, insbesondere eine Schlageinrichtung für jeden Übergangsradientyp, und ganz besonders bevorzugt eine Schlageinrichtung zum Schlagverfestigen von Übergangsradien, die an die Pleuellagerzapfen angrenzen und eine weitere Schlageinrichtung zum Schlagverfestigen von Übergangsradien, die an die Hauptlagerzapfen angrenzen. Beispielsweise können auch drei, vier, fünf oder mehr Schlageinrichtungen vorgesehen sein, wobei die verwendeten Schlageinrichtungen auch unterschiedliche Konfigurationen, z. B. eine unterschiedliche Anzahl an Schlagwerkzeugen, aufweisen können.
Beispielsweise kann eine Schlageinrichtung mit zwei Schlagwerkzeugen vorgesehen sein sowie eine weitere Schlageinrichtung mit nur einem Schlagwerkzeug.
Insbesondere kann ein Schlagkolben eingesetzt werden, der einen starken Impuls bzw. einen Kraftstoß (z. B. pneumatisch, hydraulisch und/oder elektrisch erzeugt) auf den Schlagkopf überträgt.
Je nach Schlagkraft entstehen sichtbare Schlageindrücke des Schlagkopfes an den jeweiligen Schlagpositionen. Die Tiefe der Schlageindrücke und die Qualität bzw. die Tiefenwirkung der eingebrachten Druckeigenspannung hängen dabei von der gewählten Schlagkraft ab. Das Werkzeug und die Pro- zessparameter sind vorzugsweise auf die jeweilige Kurbelwelle und dabei ggf. auf partielle geometrische Änderungen (Querschnittsänderungen) exakt abgestimmt.
In einer besonderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in wenigstens zwei Übergangs- radien beim Schlagverfestigen unterschiedliche große Schlagkräfte eingebracht werden.
Darunter, dass in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedlich große Schlagkräfte eingebracht werden, wird vorzugsweise verstanden, dass der Unterschied zwischen den Schlagkräften zumindest größer ist als ein Toleranzbereich, der typischerweise beim Einbringen der Schlagkräfte beim Stand der Technik vorhanden ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die unterschiedlich eingebrachten Schlagkräfte signifikant. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sich die Schlagkräfte, die in die wenigstens zwei Übergangsradien eingebracht werden, um wenigstens 2%, vorzugsweise um wenigstens 5%, besonders bevorzugt um wenigstens 10% und ganz besonders bevorzugt um wenigstens 30% unterscheiden.
Die Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sehen vor, dass bei der Schlagverfestigung der Übergangsradien der Kurbelwelle in alle Übergangsradien, insbesondere in die Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und die Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und Kurbelwangen, dieselbe Schlagkraft eingebracht wird. Die Schlagkraft ist dabei derart gewählt, dass diese ausreicht, um genügend Druckeigenspannungen in alle zu verfestigenden Übergangsradien der Kurbelwelle einzubringen.
Bei einem gleichmäßigen Einbringen von Druckeigenspannungen in alle Übergangsradien der Kurbelwelle können im Einzelfall nicht mehr tolerierbare Rundlauffehler nach dem Verdichten festgestellt werden, wenn die Schlagkraft zu hoch eingestellt wird. Auch aus diesem Grund wird die Schlagkraft häufig limitiert, um sicherzustellen, dass keine irreparablen oder ungewünschten Rundlauffehler auftreten.
Die Erfinder haben auf Grundlage von Simulationen und Versuchsreihen erkannt, dass die Robustheit bzw. Dauerfestigkeit der Kurbelwelle in gleichbleibender - und mitunter sogar besserer - Güte vorteilhaft auch dann erreicht werden kann, wenn die Schlagkräfte für unterschiedliche Übergangsradien individuell variiert werden. Hierdurch können kritische Rundlauffehler im Optimalfall vollständig ausgeschlossen und damit der Aufwand für eine spätere Rundlaufkorrektur minimiert werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verbesserung des Rundlaufs nicht ausschließlich deshalb eintritt, weil in für den Rundlauf kritische Abschnitte der Kurbelwelle bzw. in Übergangsradien der Kurbelwelle nun eine im Vergleich zu weiteren Abschnitten nun auch verringerte Schlagkraft eingebracht werden kann, sondern insbesondere auch, da die Druckeigenspannungen nunmehr unterschiedlich über die Kurbelwelle verteilt werden können, wobei aber in jedem Fall die minimal benötigten Druckeigenspannungen in jedem Übergangsradius eingebracht werden. Ganz besonders vorteilhaft können Rundlauffehler der Kurbelwelle ausgeglichen und/oder minimiert werden, wenn die Sequenz und die in die einzelnen Übergangsradien einzubringenden Schlagkräfte jeweils gemeinsam für den entsprechenden Kurbelwellentyp angepasst bzw. bestimmt werden. In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Pleuellagerzapfen angrenzende Übergangsradien die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer Variante der Erfindung auch vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Hauptlagerzapfen angrenzende Übergangsradien die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Schließlich kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass in zwei aneinander angrenzende bzw. benachbarte Übergangsradien betreffend Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstige geometrische Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien - die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Insbesondere kann es somit von Vorteil sein, wenn die Schlagkraft zwischen zwei an denselben Zapfen angrenzenden Übergangsradien nicht variiert wird.
Es können Gruppen von Übergangsradien definiert sein, in die die gleiche Schlagkraft eingebracht wird. Beispielsweise können jeweils zwei an denselben Zapfen angrenzende Übergangsradien eine Gruppe bilden.
Auf diese Weise können Druckeigenspannungen symmetrisch in die Übergangsradien bestimmter Zapfen eingebracht werden, während über die Kurbelwelle betrachtet dennoch die in die Übergangsradien eingebrachten Schlagkräfte variiert werden können. Dies hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
In einer Ausgestaltung der Variante kann außerdem vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien von wenigstens zwei Hauptlagerzapfen, vorzugsweise in die Übergangsradien aller Hauptlagerzapfen, die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung der Variante der Erfindung kann schließlich auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien von wenigstens zwei Pleuellagerzapfen, vorzugsweise in die Übergangsradien aller Pleuellagerzapfen, die gleiche Schlagkraft eingebracht wird.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Eine Möglichkeit zur Bildung von Gruppen von Übergangsradien, in die dieselbe Schlagkraft eingebracht wird, kann sich somit auch dadurch ergeben, dass die Übergangsradien aller Hauptlagerzapfen eine Gruppe bilden. Auch die Übergangsradien aller Pleuellagerzapfen können gegebenenfalls eine Gruppe bilden.
Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Vermeidung von Rundlauffehlern ggf. vorteilhaft sein kann, in al- le Übergangsradien der Hauptlagerzapfen und in alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen jeweils dieselbe Schlagkraft einzubringen, wobei sich die Schlagkraft, die in die Übergangsradien der Hauptlagerzapfen eingebracht wird, in diesem Fall von der Schlagkraft, die in die Übergangsradien der Pleuellagerzapfen eingebracht wird, unterscheidet.
In einer Variante der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien eines ersten Pleuellagerzapfens eine erste Schlagkraft und in die Übergangsradien eines zweiten Pleuellagerzapfens eine zweite (von der ersten Schlagkraft abweichende) Schlagkraft eingebracht wird. Gegebenenfalls kann in die Übergangsradien jedes Pleuellagerzapfens eine individuelle Schlagkraft eingebracht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien eines ersten Hauptlagerzapfens eine erste Schlagkraft und in die Übergangsradien eines zweiten Hauptlagerzapfens eine zweite (von der ersten Schlagkraft abweichende) Schlagkraft eingebracht wird. Gegebenenfalls kann in die Übergangsradien jedes Hauptlagerzapfens eine individuelle Schlagkraft eingebracht werden.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Insbesondere auf Basis von Berechnungen, Simulationen und/oder Versuchsreihen des entsprechenden Kurbelwellentyps können die Schlagkräfte somit individuell für jeden Übergangsradius bestimmt werden. Dabei können sich für jeden Übergangsradius oder zumindest für verschiedene Gruppen von Übergangsradien optimal geeignete Schlagkräfte und Schlagmuster ergeben, wobei Rundlauffehler weiter unterdrückt bzw. ausgeglichen werden können. Ferner kann die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle durch diese Maßnahme die Anforderungen sogar noch übertreffen. Dies gilt insbesondere, da gleichzeitig die Sequenz für die Schlagverfestigung optimiert sein kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Basiswert für die in die Übergangsradien einzubringenden Schlagkräfte anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kur- beiwelle und/oder anhand der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle bestimmt wird.
Beispielsweise kann ein Basiswert für die gesamte Kurbelwelle bestimmt werden, bei dem es sich um eine minimale Schlagkraft handeln kann, bei deren Einbringung die gewünschte Dauerfestigkeit in allen Abschnitten der Kurbelwelle noch, oder vorzugsweise unter Hinzunahme eines Sicherheitsspielraums, gewährleistet ist.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Basiswert für verschiedene Abschnitte der Kurbelwelle in- dividuell bestimmt wird, derart, dass in den jeweiligen Abschnitten die gewünschte Dauerfestigkeit der Kurbelwelle, vorzugsweise unter Hinzunahme eines Sicherheitsspielraums, gewährleistet wird. Beispielsweise kann ein Basiswert für Endpartien bzw. Endbereiche der Kurbelwelle, ein Basiswert für einen mittleren Abschnitt der Kurbelwelle, ein Basiswert für alle Hauptlagerzapfen, ein Basiswert für alle Pleuellagerzapfen und/oder ein Basiswert für sonstige Abschnitte der Kurbelwelle bestimmt werden. Es können also insbesondere auch mehrere Basiswerte vorgesehen sein.
Der Basiswert kann auch derart gewählt werden, dass dieser einen definierten Prozentsatz, zum Beispiel 10% bis 50%, vorzugsweise 20% bis 40%, größer ist als die minimal für die Kurbelwelle oder den Bereich der Kurbelwelle notwendige Schlagkraft, so dass der Basiswert nach oben und nach unten angepasst werden kann, um die Übergangsradien schlagzuverfestigen.
In einer Ausgestaltung der Variante kann vorgesehen sein, dass der Basiswert um einen Ausgleichswert variiert wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren. Wenn für die in die Übergangsradien einzubringenden Schlagkräfte ein Basiswert bestimmt wird, der höher ist als ein Minimalwert (beispielsweise unter Hinzunahme wenigstens eines Sicherheitsspielraums), kann der Basiswert durch jeweilige Ausgleichswerte individuell für einzelne Übergangsradien variiert, insbesondere erhöht werden, wobei zu beachten ist, dass der Minimalwert der Schlagkraft zum Erreichen der gewünschten Dauerfestigkeit an einem Übergangsradius nicht unterschritten wird. Der Ausgleichs- wert kann also gezielt zur Vermeidung bzw. zum Ausgleich von Rundlauffehlern herangezogen werden.
Somit können die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle und der Rundlauf der Kurbelwelle nahezu unabhängig voneinander einstellbar sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen mit dem Basiswert schlagverfestigt werden, und alle Übergangsradien der Hauptlagerzapfen mit dem durch den Ausgleichswert variierten Basiswert, beispielsweise einem auf den Basiswert bezogenen 1 10%-igen Wert oder 90%-igen Wert schlagverfestigt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass alle Hauptlagerzapfen mit dem Basiswert und alle Pleuellagerzapfen mit dem durch den Ausgleichswert variierten Basiswert schlagverfestigt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert für mehrere, vorzugsweise für jeden Übergangsradius, individuell bestimmt wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert höchsten 30%, vorzugsweise höchstens 15%, besonders bevorzugt höchstens 5%, des Basiswerts beträgt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert höchsten 30%, jedoch mindestens 20%, höchstens 20%, jedoch mindestens 15%, höchstens 15%, jedoch mindestens 10%, oder höchstens 10%, jedoch mindestens 5%, des Basiswerts beträgt.
Es kann eine Positionssteuerung eingesetzt werden, um die Kurbelwelle schrittweise bzw. getaktet von einer Schlagposition zur nächsten Schlagposition zu drehen. Im einfachsten Fall kann hierfür eine PTP- Steuerung bzw. Punktsteuerung vorgesehen sein.
Um die Kurbelwelle zu drehen, kann eine Antriebseinrichtung vorgesehen sein, die einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, umfasst. Bei dem Elektromotor kann es sich grundsätzlich um einen beliebi- gen Elektromotor, beispielsweise einen Drehstrommotor (insbesondere eine Drehstrom- Asynchronmaschine), einen Wechselstrommotor, einen Gleichstrommotor oder einen Universalmotor, handeln.
Vorzugsweise kann ein Schrittmotor verwendet werden.
Es kann auch eine zweigeteilte Antriebseinrichtung vorgesehen sein, bei der beispielsweise ein Motor an jedem Ende der Kurbelwelle vorgesehen ist, d. h. ein Synchronantrieb bzw. beidseitiger Antrieb der Kurbelwelle. Üblicherweise ist die Kurbelwelle zu deren Bearbeitung über eine Befestigungseinrichtung an einer Antriebswelle drehbar festgelegt.
Es kann auch eine AbStützung in der Art eines Reitstocks vorgesehen sein, um die Kurbelwelle an ihrem von der Antriebseinrichtung abgewandten Ende drehbar abzustützen bzw. festzulegen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schlagwerkzeuge mit einer Periodizität, vorzugsweise mit einer Taktung bzw. Schlagfrequenz von 0,5 Hz bis 30 Hz, besonders bevorzugt mit einer Taktung von 0,5 Hz bis 5 Hz und ganz besonders bevorzugt mit einer Taktung von 0,5 Hz bis 3 Hz, eine Schlagbewegung durchführen bzw. die Schlagkraft einbringen.
Selbstverständlich können auch andere Taktungen, beispielsweise auch Schlagfrequenzen zwischen 0,1 Hz und 50 Hz, vorgesehen sein, die vorgenannten Werte eignen sich jedoch ganz besonders. Die Schlagdrücke, die von dem Schlagkolben zu der Schlagkraft umgesetzt werden, können - je nach Betrieb - zwischen 10 und 300 bar, bevorzugt zwischen 30 und 180 bar, und besonders bevorzugt zwischen 50 und 130 bar, betragen. Die Schlagkraft kann also über die Einstellung eines entsprechenden Schlagdrucks (des Schlagkolbens) vorgegebene werden. Im Sinne der Variante der Erfindung kann also auch vorgesehen sein, dass zur Schlagverfestigung von wenigstens zwei Übergangsradien ein unterschiedlicher Schlagdruck verwendet wird. Es können somit beispielsweise auch wenigstens ein Basiswert und wenigstens ein Ausgleichswert bezogen auf den Schlagdruck vorgesehen sein.
Die Temperatur im Bereich des zu bearbeitenden Kurbelwellensegments bzw. Übergangsradius sollte vorzugsweise nicht höher als 65°C liegen; bevorzugt werden Werte zwischen 12°C und 25°C.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass Kurbelwellen nach dynamischer Beanspruchung im Motor oder auf dem Prüfstand nicht ausbreitungsfähige Mikrorisse an den Oberflächen bekommen können. Auf die Dauerfestigkeitseigenschaften haben diese Mikrorisse keine Auswirkung, aber sie können das optische Erscheinungsbild stören.
Da die Einbringung von Druckeigenspannung vorzugsweise bis zu einer Tiefe von 15 mm, aber auch noch tiefer erfolgen kann, bedeutet dies, im Oberflächenbereich der Kurbelwelle kann eine Abtragung von einigen Millimetern, zum Beispiel von 0,1 bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 mm, erfolgen, ohne dass die Biege- und Torsionswechselfestigkeit oder die Dauerschwingfestigkeit der Kurbelwelle leidet.
Untersuchungen haben gezeigt, dass derartige Maßnahmen die Dauerfestigkeit sogar geringfügig erhö- hen können, beispielsweise um bis zu 5%.
Die Abtragung der Oberfläche kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie zum Beispiel durch Schleifen, Drehen, Fräsen, Drehfräsen, Schälen oder Polieren. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle. Die Vorrichtung eignet sich auch zur Schlagverfestigung von Übergängen zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Merkmale, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, sind selbstverständlich auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft umsetzbar - und umgekehrt. Ferner können Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ge- nannt wurden, auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung bezogen verstanden werden - und umgekehrt.
Einige der Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können grundsätzlich in ihrem Aufbau der Vorrichtung nach der EP 1 716 260 B1 entsprechen, weshalb der Offenbarungsgehalt der EP 1 716 260 B1 durch Referenzierung vollständig in die vorliegende Offenbarung integriert sei.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Kurbelwelle, hergestellt nach einem vorstehend beschriebenen Ver- fahren. Die erfindungsgemäße Kurbelwelle unterscheidet sich von herkömmlichen Kurbelwellen insbesondere dadurch, dass bei deren Schlagverfestigung eine spezifische Sequenz bzw. Reihenfolge beim Einbringen der Druckeigenspannungen in die Übergangsradien eingesetzt wurde. Hierdurch kann sich insgesamt eine charakteristische Verfestigung der Übergangsradien der Kurbelwelle und eine charakteristische Verformung bzw. ein charakteristischer Rundlauf der Kurbelwelle ergeben. Ferner kann sich die Kurbelwelle von herkömmlichen Kurbelwellen dadurch unterscheiden, dass zu deren Verfestigung gemäß einer Variante der Erfindung in wenigstens zwei Übergangsradien unterschiedlich große Schlagkräfte eingebracht wurden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Un- terkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- einer ersten Ausführung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer zweiten Ausführung; Fig. 3 eine Schlageinrichtung mit zwei Schlagwerkzeugen in vergrößerter Darstellung gemäß Einzelheit "A" aus Fig. 1 ;
Fig. 4 eine Schlageinrichtung mit nur einem Schlagwerkzeug;
Fig. 5 eine beispielhafte Kurbelwelle und deren Schlagverfestigung mit zwei Schlageinrichtungen;
und
Fig. 6 einen beispielhaften Ausschnitt einer Kurbelwelle und ein Kräftediagramm.
Die in Figur 1 in einer Gesamtansicht dargestellte Vorrichtung entspricht grundsätzlich in ihrem Aufbau den Vorrichtungen nach der DE 34 38 742 C2 und EP 1 716 260 B1 mit einer oder mehreren Schlageinrichtungen 1 , weshalb nachfolgend nur auf die wesentlichen Teile und auf die Unterschiede zum Stand der Technik näher eingegangen wird.
Die Vorrichtung weist ein Maschinenbett 2 und eine Antriebseinrichtung 3 auf. Die Antriebseinrichtung 3 wird dazu verwendet, eine Kurbelwelle 4 entlang einer Drehrichtung in eine Schlagposition zu bringen bzw. zu drehen.
Die Kurbelwelle 4 weist Pleuellagerzapfen 5 und Hauptlagerzapfen 6, zwischen denen jeweils Kurbelwangen 7 angeordnet sind, auf. Zwischen Pleuellagerzapfen 5 und Kurbelwangen 7 sowie zwischen Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwangen 7 bzw. allgemein zwischen Querschnittsübergängen der Kurbelwelle 4 sind Übergangsradien 8 (vgl. Figuren 3 bis 6) ausgebildet.
An der der Antriebseinrichtung 3 zugewandten Seite der Kurbelwelle 4 ist eine Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen, die eine Spannscheibe bzw. einen Befestigungsflansch 10 aufweist. Auf der der Antriebseinrichtung 3 abgewandten Seite der Kurbelwelle 4 ist eine AbStützung 1 1 vorzugsweise in der Art eines Reitstocks vorgesehen, die eine weitere Befestigungseinrichtung 9 aufweist, um die Kurbelwelle 4 dreh- bar aufzunehmen bzw. drehbar festzulegen. Optional oder ergänzend zur AbStützung 1 1 kann eine Lü- nette, die an einer rotationssymmetrischen Stelle positioniert wird, vorgesehen sein.
Die Antriebseinrichtung 3 vermag die Kurbelwelle 4 entlang einer Drehachse C in eine Drehbewegung zu versetzen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Hauptdrehachse CKw der Kurbelwelle 4 außermittig von der Drehachse C der Antriebseinrichtung 3 positioniert ist, wie in Figur 1 und Figur 2 dargestellt.
Hierzu können vorzugsweise Ausrichtungsmittel 17 (vgl. Figur 2) im Bereich der Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ausrichtungsmittel 17 eine Mittelachse des jeweils zu verfestigenden Zapfens 5, 6 so verschieben, dass die Mittelachse des Zapfens 5, 6 auf der Drehachse C liegt. Für die Antriebseinrichtung 3 kann ein Direktantrieb, vorzugsweise ohne Kupplung, vorgesehen sein. Ein Motor, vorzugsweise ein Elektromotor, der Antriebseinrichtung 3 kann somit ohne Übersetzung bzw. Getriebe mit der Befestigungseinrichtung 9 bzw. mit der Kurbelwelle 4 mechanisch gekoppelt sein. Die nachfolgend noch beispielhaft näher beschriebenen Schlageinrichtungen 1 sind jeweils in einer Verschiebe- und Justiereinrichtung 15 justierbar gehalten, um sie an die Lage der Pleuellagerzapfen 5 und der Hauptlagerzapfen 6 und an die Länge der Kurbelwelle 4 anzupassen.
Auch die AbStützung 1 1 kann verschiebbar eingerichtet sein, wie durch die Doppelpfeile in Figur 1 ange- deutet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schlagverfestigen ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Schlagwerkzeuge 16 eingesetzt werden, wobei wenigstens eines der Schlagwerkzeuge 16 die an die Pleuellagerzapfen 5 angrenzenden Übergangsradien 8 schlagverfestigt und wenigstens ein weiteres Schlagwerkzeug 16 die an die Hauptlagerzapfen 6 angrenzenden Übergangsradien 8 schlagverfestigt, wobei eine Sequenz für das Schlagverfestigen der Übergangsradien 8 derart bestimmt ist, dass Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 ausgeglichen und/oder minimiert werden.
Es können auch mehr als zwei Schlagwerkzeuge 16, beispielsweise drei, vier oder mehr Schlagwerk- zeuge 16 zum Schlagverfestigen eingesetzt werden.
In der Figur 1 sind zwei Schlageinrichtungen 1 dargestellt, grundsätzlich kann aber eine beliebige Anzahl von Schlageinrichtungen 1 vorgesehen sein, wobei erfindungsgemäß zumindest ein Schlagwerkzeug 16 zum Schlagverfestigen der Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 und ein Schlagwerkzeug 16 zum Schlagverfestigen der Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 vorgesehen ist.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass wenigstens eine Schlageinrichtung 1 zur Schlagverfestigung der Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 ausgebildet und eingerichtet ist und eine
Schlageinrichtung 1 zum Schlagverfestigen der Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 ausgebildet und eingerichtet ist, wie in Figur 1 dargestellt.
In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in wenigstens zwei Übergangsradien 8 unterschiedlich große Schlagkräfte Fs eingebracht werden. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere wenn eine optimierte Sequenz und gleichzeitig unterschiedlichen Schlagkräften Fs eingesetzt werden, Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 vermieden bzw. ausgeglichen werden können.
In Figur 2 ist in perspektivischer Ansicht ausschnittsweise eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens - allerdings ohne Schlageinrichtung - dargestellt. Die Vorrichtung der Figur 2 ist dabei im Wesentlichen identisch mit der Vorrichtung der Figur 1 , weshalb nachfolgend nur auf die wesentlichen Unterschiede im Detail Bezug genommen wird. Abermals ist eine Antriebseinrichtung 3 vorgesehen. Ferner ist eine Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen, die einen Befestigungsflansch 10 und eine daran befestigte Planscheibe mit Spannbacken zur Festlegung der Kurbelwelle 4 aufweist. Die Planscheibe mit den Spannbacken der Befestigungseinrichtung 9 ist an dem Befestigungsflansch 10 verstellbar an einem Ausrichtungsmittel 17 angeordnet, wodurch sich die Längsachse CKw der Kurbelwelle 4 relativ zu der Drehachse C einer Antriebswelle bzw. einer Eingangswelle 13 verschieben lässt.
Die Kurbelwelle 4 der Figur 2 weist eine von der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform abweichende Konfiguration auf, umfasst aber grundsätzlich ebenfalls Pleuellagerzapfen 5, Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwangen 7.
In Figur 2 (wie auch in Figur 1 ) kann an dem von der Antriebseinrichtung 3 abgewandten Ende der Kurbelwelle 4 eine weitere Befestigungseinrichtung 9 vorgesehen sein, diese kann jedoch auch entfallen.
In Figur 3 ist beispielhaft eine Schlageinrichtung 1 der Figur 1 näher dargestellt. Die Erfindung kann grundsätzlich mit einer beliebigen Schlageinrichtung 1 umgesetzt werden. Die nachfolgend beschriebene Schlageinrichtung 1 eignet sich jedoch besonders. Sie weist einen Grundkörper 18 auf, der entsprechend dem Radius des zu bearbeitenden Kurbelwellensegments mit einer prismatischen Anlage versehen sein kann und vorzugsweise Führungen 19 aufweist, die zwei Schlagwerkzeuge 16 in deren Abstützebene führen und ihnen um eine Umlenkeinheit 20 eine entsprechende Freiheit geben, die zur Anpassung an die maßlichen Verhältnisse der Kurbelwelle 4 vorteilhaft ist. An den vorderen Enden der beiden Schlagwerkzeuge 16 ist jeweils eine Kugel als Schlagkopf 21 angeordnet. Ein Zwischenteil 22 stellt die Verbindung zwischen einem Schlagkolben 23 und der Umlenkeinheit 20, die die Schlagenergie an die Schlag- Werkzeuge 16 weitergibt, her. Das Zwischenteil 22 kann gegebenenfalls auch entfallen.
Es kann vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Pleuellagerzapfen 5 angrenzende Übergangsradien 8 die gleiche Schlagkraft Fs eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in zwei an denselben Hauptlagerzapfen 6 angrenzende Übergangsradien 8 die gleiche Schlagkraft Fs eingebracht wird. Es kann aber grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass in alle Übergangsradien 8 die gleiche Schlagkraft Fs eingebracht wird.
Eine in Figur 3 dargestellte Schlageinrichtung 1 eignet sich hierfür in besonderem Maße. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass eine Schlageinrichtung 1 mit zwei Schlagwerkzeugen 16 derart ausgestaltet ist, dass die Schlagwerkzeuge 16 in die an denselben Zapfen 5, 6 angrenzenden Übergangsradien 8 eine jeweils unterschiedliche Schlagkraft Fs einbringen. Zur Steigerung der Wirksamkeit des Schlages kann auf der von dem Grundkörper 18 abgewandten Seite des Zapfens 5, 6 ein Spannprisma 24 über Federn 25 mit einstellbaren Spannbolzen 26 mit Spannmuttern 27 befestigt werden. Hier sind auch andere konstruktive Lösungen möglich. Es sei klargestellt, dass, sollte in einem Teil der Beschreibung "ein Schlagwerkzeug" bzw. "eine
Schlageinrichtung" oder "mehrere Schlagwerkzeuge/Schlageinrichtungen" erwähnt werden, grundsätzlich eine beliebige Anzahl an Schlagwerkzeugen/Schlageinrichtungen gemeint sein kann, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr. Die Bezugnahme auf eine Pluralform oder Einzahl ist lediglich zur besseren Lesbarkeit vorgesehen und nicht einschränkend.
Durch Anordnung mehrerer Schlageinrichtungen 1 bzw. Schlagwerkzeuge 16 über die Länge der zu bearbeitenden Kurbelwelle 4 können im Bedarfsfall alle zentrisch und gegebenenfalls exzentrisch verlaufenden Abschnitte der Kurbelwelle 4 gleichzeitig bearbeitet werden. Der Schlagkolben 23 überträgt über die Umlenkeinheit 20 einen Kraftstoß auf die Schlagwerkzeuge 16, wonach die Schlagköpfe 21 der Schlagwerkzeuge 16 die Schlagkraft Fs in die Übergangsradien 8 einbringen.
Der Ausdruck "Fs" und vergleichbare Ausdrücke in der vorliegenden Beschreibung sind nur als Platzhal- ter/Variablen für eine beliebige, dem Fachmann als angebracht erscheinende Schlagkraft zu verstehen. Wenn dabei in der Beschreibung auf "die Schlagkraft Fs" Bezug genommen wird, kann es sich somit jeweils um unterschiedliche oder aber auch um identische Schlagkräfte handeln.
Aus der Figur 4 ist eine Schlageinrichtung 1 ersichtlich, die mit nur einem Schlagwerkzeug 16 versehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schlageinrichtung 1 zur Kurbelwelle 4 vorzugsweise schräg gestellt, und zwar derart, dass das Schlagwerkzeug 16, das koaxial zur Längsachse der Schlageinrichtung 1 angeordnet ist, senkrecht auf den Bereich des zu bearbeitenden Kurbelwellensegments, vorliegend des zu bearbeitenden Übergangsradius 8, auftrifft. In diesem Fall lässt sich zwar jeweils nur ein Kurbelwellensegment bearbeiten, aber andererseits ist die konstruktive Ausgestaltung und die Kraftübertragung der Schlageinrichtung 1 hierfür besser und einfacher. Zusätzlich können Bohrungsenden mit diesem Werkzeug stehend verfestigt werden.
Besonders vorteilhaft erweist sich diese Ausgestaltung für die Anwendung an nicht symmetrischen Kurbelwellensegmenten, wie den Endbereichen und den Ölbohrungsenden der Kurbelwelle 4.
Die Ausgestaltung der in Figur 4 dargestellten Schlageinrichtung 1 mit nur einem Schlagwerkzeug 16 eignet sich auch ganz besonders, wenn an denselben Zapfen 5, 6 angrenzende Übergangsradien 8 mit unterschiedlich großer Schlagkraft Fs schlagverfestigt werden sollen. Bei den in Figur 1 dargestellten Schlageinrichtungen 1 bzw. grundsätzlich bei den für die Erfindung verwendeten Schlageinrichtungen 1 kann es sich um eine Schlageinrichtung 1 gemäß Figur 3 oder gemäß Figur 4 oder eine beliebige andere Schlageinrichtung 1 in beliebiger Zusammenstellung handeln. Erfindungsgemäß kommt es darauf an, dass wenigstens ein Schlagwerkzeug 16 zur Schlagverfestigung der an die Pleuellagerzapfen 5 angrenzenden Übergangsradien 8 und wenigstens ein weiteres Schlagwerkzeug 16 zur Schlagverfestigung der an die Hauptlagerzapfen 6 angrenzenden Übergangsradien 8 verwendet wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Sequenz für das Schlagverfestigen auf Basis von Simulationen, Be- rechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps bestimmt wird.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Übergangsradien 8 gleichzeitig schlagverfestigt werden, beispielsweise mit einer Schlageinrichtung 1 mit zwei Schlagwerkzeugen 16 gemäß der Figur 3.
In Figur 5 ist eine beispielhafte Kurbelwelle 4 mit jeweiligen Übergangsradien 8 zwischen Pleuellagerzapfen 5 und Kurbelwange 7 bzw. Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwange 7 und weiterer Querschnittsübergänge mit Übergangsradien 8 dargestellt. Dabei sind beispielhaft zwei Schlageinrichtungen 1 in einer Konfiguration mit zwei Schlagwerkzeugen 16 gemäß Figur 3 schematisch angedeutet. Die Kurbelwelle 4 weist ein erstes Ende Ei und ein zweites Ende E2 auf.
Es kann vorgesehen sein, dass die Sequenz für das Schlagverfestigen eine Pleuellager-Untersequenz A aufweist, nach der zunächst die Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 schlagverfestigt werden, wonach in einer Hauptlager-Untersequenz B die Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 schlagver- festigt werden. Dies ist in Figur 5 durch entsprechende Pfeile dargestellt. Gemäß dieser Weiterbildung wird die den Pleuellagerzapfen 5 zugeordnete Schlageinrichtung 1 (in der Figur 5 oben links) entlang der Länge der Kurbelwelle 4 von links nach rechts bewegt, um nacheinander alle Pleuellagerzapfen 5 schlagzuverfestigen. Innerhalb der Pleuellager-Untersequenz A kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 gleichzeitig schlagverfestigt werden, beispielsweise durch eine Schlageinrichtung 1 mit einer entsprechend großen Anzahl an Schlagwerkzeugen 16 oder durch eine entsprechend große Anzahl einzelner Schlageinrichtungen 1 mit jeweils einem oder mehreren Schlagwerkzeugen 16. Innerhalb der Pleuellager-Untersequenz A können beliebig viele Übergangsradien 8 der Pleuel- lagerzapfen 5 gleichzeitig und/oder sequenziell schlagverfestigt werden.
Nach einer Schlagverfestigung gemäß der ersten Pleuellager-Untersequenz A können dann gemäß der zweiten Hauptlager-Untersequenz B die Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 schlagverfestigt werden. Hierzu kann die Schlageinrichtung 1 , die den Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 zuge- ordnet ist (in Figur 5 die Schlageinrichtung 1 unten rechts), von rechts nach links von Hauptlagerzapfen 6 zu Hauptlagerzapfen 6 bewegt werden, um nacheinander jeweils zwei Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 schlagzuverfestigen. Selbstverständlich kann auch in der zweiten Hauptlager-Untersequenz B eine beliebige Anzahl an Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 gleichzeitig und/oder nacheinander mit einer beliebigen Anzahl an Schlageinrichtungen 1 und/oder Schlagwerkzeugen 16 schlagverfes- tigt werden.
Die vorstehend beschriebene Reihenfolge kann auch vertauscht sein. Das heißt, die Untersequenz, die zuerst vorgesehen ist, wäre gemäß der Darstellung in Figur 5 nun die Hauptlager-Untersequenz B und die Untersequenz, die nachfolgend vorgesehen ist, die Pleuellager-Untersequenz A.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schlagverfestigung gemäß den Untersequenzen A, B jeweils nach einem festgelegten Schema erfolgt, vorzugsweise nach einem der nachfolgenden beschriebenen Schemata. Beispielsweise kann von dem ersten Ende Ei der Kurbelwelle 4 in Richtung auf das zweite Ende E2 der Kurbelwelle 4 oder von der Mitte M der Kurbelwelle 4 zu deren Enden E1 : E2 oder von den Enden E1 : E2 der Kurbelwelle 4 zu deren Mitte M schlagverfestigt werden, wonach die Schlagverfestigung gemäß der Pleuellager-Untersequenz A nach einem anderen Schema erfolgt als die Schlagverfestigung gemäß der Hauptlager-Untersequenz B.
Wie in Figur 5 beispielhaft dargestellt, ist für die Pleuellager-Untersequenz A ein Schema vorgesehen, wonach von dem ersten Ende Ei der Kurbelwelle 4 in Richtung auf das zweite Ende E2 der Kurbelwelle 4 schlagverfestigt wird, wohingegen das Schema der Hauptlager-Untersequenz B ausgelegt ist, von dem zweiten Ende E2 der Kurbelwelle 4 in Richtung auf das erste Ende Ei der Kurbelwelle 4 schlagzuverfestigen.
Zur Verdeutlichung sind in Figur 5 Positionen P^ bis P14 der Kurbelwelle 4 markiert. Somit kann beispielsweise bei einem Schema der Pleuellager-Untersequenz A die Schlageinrichtung 1 von den Übergangsradien 8 an den Positionen P^ bzw. P2 nachfolgend zu den Übergangsradien 8 der Positionen P5 bzw. P6, anschließend zu den Übergangsradien 8 der Positionen P9 bzw. P10 und schließlich zu den Übergangsradien 8 der Positionen P13 bzw. P14 bewegt werden. Bei dem Schema der Hauptlager- Untersequenz B kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schlageinrichtung 1 von den Übergangsradien 8 an den Positionen P bzw. P12 nachfolgend zu den Übergangsradien 8 an den Positionen P7 bzw. P8 und schließlich zu den Übergangsradien 8 an den Positionen P3 bzw. P4 bewegt wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schlagverfestigung nach wenigstens einer der Untersequenzen A, B ein Schema vorsieht, bei dem wenigstens in einem Fall nach der Schlagverfestigung eines Übergangsradius 8 zumindest einer der benachbarten Übergangsradien 8 übersprungen und zunächst ein weiter entfernter Übergangsradius 8 schlagverfestigt wird. Beispielsweise könnten betreffend die Pleuellager-Untersequenz A zunächst die Übergangsradien 8 an den Positionen P und P2 gleichzeitig oder nacheinander schlagverfestigt werden, wonach die Übergangsradien 8 an den Positionen P13 und P14 gleichzeitig oder nacheinander schlagverfestigt werden, wonach die Übergangsradien 8 der mittleren Pleuellagerzapfen 5 an den Positionen P5 und P6 bzw. P9 und P10 gleichzeitig oder nacheinander schlagverfestigt werden. Eine derartige "chaotische" Schlagverfestigung kann analog auch für Hauptlager- Untersequenz B bei der Schlagverfestigung der Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 vorgesehen sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sequenz wenigstens eine Teilsequenz aufweist, welche vorsieht, dass einer oder mehrere Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 schlagverfestigt werden und anschließend wieder einer oder mehrere Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 schlagver- festigt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sequenz wenigstens eine Teilsequenz aufweist, welche vorsieht, dass einer oder mehrere Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien 8 der Hauptlagerzapfen 6 schlagverfestigt wer- den und anschließend wieder einer oder mehrere Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 schlagverfestigt werden.
Die zeitliche Abfolge bei dem Ablauf der Untersequenzen A, B kann sich somit auch überlappen bzw. verschränken. Beispielsweise kann die Schlageinrichtung 1 , die den Pleuellagerzapfen 5 zugeordnet ist, zunächst verwendet werden, um die Übergangsradien 8 an den Positionen bzw. P2 schlagzuverf estigen, wonach die Schlageinrichtung 1 , die den Hauptlagerzapfen 6 zugeordnet ist, verwendet wird, um die Übergangsradien 8 an den Positionen P3 bzw. P4 schlagzuverfestigen, wonach die Schlageinrichtung 1 , die den Pleuellagerzapfen 5 zugeordnet ist, nachfolgend wieder verwendet wird, um einen oder mehrere Übergangsradien 8 der Pleuellagerzapfen 5 schlagzuverfestigen, usw.
Es versteht sich, dass die im Zuge der Beschreibung der Figur 5 benannten Untersequenzen A, B bzw. Teilsequenzen, etc. rein beispielhaft zu verstehen sind. Es können beliebige Abfolgen der Schlagverfestigung der Übergangsradien 8 mit einer beliebigen Anzahl an Schlageinrichtungen 1 bzw. Schlagwerkzeugen 16 vorgesehen sein, um Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 auszugleichen und/oder zu minimie- ren. Die entsprechende Sequenz kann entsprechend dem zu verfestigenden Kurbelwellentyp bestimmt sein.
In Figur 6 ist ein beispielhafter Ausschnitt einer Kurbelwelle 4 mit jeweiligen Übergangsradien 8 zwischen Pleuellagerzapfen 5 und Kurbelwangen 7 bzw. Hauptlagerzapfen 6 und Kurbelwangen 7 dargestellt.
Es kann vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 von wenigstens zwei Hauptlagerzapfen 6, vorzugsweise in die Übergangsradien 8 aller Hauptlagerzapfen 6, die gleiche Schlagkraft Fs eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 von wenigstens zwei Pleuellagerzapfen 5, vorzugsweise in die Übergangsradien 8 aller Pleuellagerzapfen 5, die gleiche Schlagkraft Fs eingebracht wird. Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 eines ersten Pleuellagerzapfens 5 eine erste Schlagkraft Fs und in die Übergangsradien 8 eines zweiten Pleuellagerzapfens 5 eine zweite Schlagkraft Fs eingebracht wird. Gegebenenfalls wird in die Übergangsradien 8 jedes Pleuellagerzapfens 5 eine individuelle Schlagkraft Fs eingebracht.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in die Übergangsradien 8 eines ersten Hauptlagerzapfens 6 eine erste Schlagkraft Fs und in die Übergangsradien 8 eines zweiten Hauptlagerzapfens 6 eine zweite Schlagkraft Fs eingebracht wird. Gegebenenfalls wird in die Übergangsradien 8 jedes Haupt- lagerzapfens 6 eine individuelle Schlagkraft Fs eingebracht.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Basiswert F0 für die in die Übergangsradien 8 einzubringenden Schlagkräfte Fs anhand der gewünschten Dauerfestigkeit der Kurbelwelle 4 und/oder anhand der gewünschten Dauerfestigkeit von Abschnitten der Kurbelwelle 4 bestimmt wird.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Basiswert F0 um einen Ausgleichswert FA variiert wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren.
In Figur 6 ist hierzu schematisch ein Kräftediagramm dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass der Schlag- kraft Fs ein Basiswert F0 zugrunde liegt, ausgehend von dem der Ausgleichswert FA eine additive oder subtraktive Modifikation bewirkt. Der Basiswert F0 und der Ausgleichswert FA sind dabei derart gewählt, dass eine minimale Schlagkraft Fmin, die an dem jeweiligen Übergangsradius 8 benötigt wird, nicht unterschritten wird. Vorzugsweise ist zusätzlich ein Sicherheitsspielraum vorgesehen. Es kann vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert FA für mehrere (vorzugsweise für jeden) Übergangsradius 8 individuell bestimmt wird, um Rundlauffehler der Kurbelwelle 4 auszugleichen, zu vermeiden und/oder zu minimieren. In Figur 6 ist der Sachverhalt bzw. das Kräftediagramm nur beispielhaft für einen Übergangsradius 8 dargestellt. Dies ist allerdings nicht einschränkend zu verstehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert FA höchsten 30%, vorzugsweise höchstens 15%, besonders bevorzugt höchstens 5% des Basiswerts F0 beträgt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgleichswert FA höchsten 30%, jedoch mindestens 20%, höchstens 20%, jedoch mindestens 15%, höchstens 15%, jedoch mindestens 10%, oder höchstens 10%, jedoch mindestens 5%, des Basiswerts F0 beträgt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens zwei Schlagwerkzeuge (16) zum Schlagverfestigen eingesetzt werden, wobei wenigstens eines der Schlagwerkzeuge (16) die an die Pleuellagerzapfen (5) angrenzenden Übergangsradien (8) schlagverfestigt und wenigstens ein weiteres Schlagwerkzeug (16) die an die Hauptlagerzapfen (6) angrenzenden Übergangsradien (8) schlagverfestigt, wobei eine Sequenz für das Schlagverfestigen der Übergangsradien (8) derart bestimmt ist, dass Rundlauffehler der Kurbelwelle (4) ausgeglichen und/oder minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Sequenz auf Basis von Simulationen, Berechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Sequenz eine Pleuellager-Untersequenz (A) aufweist, nach der zunächst die Übergangsradien (8) der Pleuellagerzapfen (5) schlagverfestigt werden, wonach in einer Hauptlager-Untersequenz (B) die Übergangsradien (8) der Hauptlagerzapfen (6) schlagverfestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Sequenz eine Hauptlager-Untersequenz (B) aufweist, nach der zunächst die Übergangsradien (8) der Hauptlagerzapfen (6) schlagverfestigt werden, wonach in einer Pleuellager-Untersequenz (A) die Übergangsradien (8) der Pleuellagerzapfen (5) schlagverfestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Schlagverfestigung gemäß der Untersequenzen (A, B) jeweils nach einem festgelegten Schema erfolgt, vorzugsweise nach einem der nachfolgenden Schemata, wonach die jeweiligen Übergangsradien (8) der Kurbelwelle (4)
- von einem ersten Ende (E^ der Kurbelwelle (4) in Richtung zu einem zweiten Ende (E2) der Kurbelwelle (4) oder
- von der Mitte (M) der Kurbelwelle (4) zu deren Enden (E1: E2) oder
- von den Enden (E1: E2) der Kurbelwelle (4) zu deren Mitte (M) schlag verfestigt werden, wonach die Schlagverfestigung gemäß der Pleuellager-Untersequ nach einem anderen Schema erfolgt als die Schlagverfestigung gemäß der Hauptlager- Untersequenz (B).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Schlagverfestigung nach wenigstens einer der Untersequenzen (A, B) ein Schema vorsieht, bei dem wenigstens in einem Fall nach der Schlagverfestigung eines Übergangsradius (8) zumindest einer der benachbarten Übergangsradien (8) übersprungen und zunächst ein weiter entfernter Übergangsradius (8) schlagverfestigt wird.
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 Sequenz wenigstens eine Teilsequenz aufweist, welche vorsieht, dass einer oder mehrere Übergangsradien (8) der Hauptlagerzapfen (6) schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien (8) der Pleuellagerzapfen (5) schlagverfestigt werden und anschließend wieder einer oder mehrere Übergangsradien (8) der Hauptlagerzapfen (6) schlagverfestigt werden.
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 Sequenz wenigstens eine Teilsequenz aufweist, welche vorsieht, dass einer oder mehrere Übergangsradien (8) der Pleuellagerzapfen (5) schlagverfestigt werden, wonach anschließend einer oder mehrere Übergangsradien (8) der Hauptlagerzapfen (6) schlagverfestigt werden und anschließend wieder einer oder mehrere Übergangsradien (8) der Pleuellagerzapfen (5) schlagverfestigt werden.
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 Sequenz vorsieht, dass wenigstens zwei Übergangsradien (8) gleichzeitig schlagverfestigt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
drei, vier oder mehr Schlagwerkzeuge (16) zum Schlagverfestigen eingesetzt werden.
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
in wenigstens zwei Übergangsradien (8) beim Schlagverfestigen unterschiedlich große Schlagkräf- te (Fs) eingebracht werden. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 .
Kurbelwelle (4), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 .
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