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WO2018228795A1 - 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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WO2018228795A1
WO2018228795A1 PCT/EP2018/063694 EP2018063694W WO2018228795A1 WO 2018228795 A1 WO2018228795 A1 WO 2018228795A1 EP 2018063694 W EP2018063694 W EP 2018063694W WO 2018228795 A1 WO2018228795 A1 WO 2018228795A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
impact
transition
crankshaft
tool
angle
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/063694
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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 WO2018228795A1 publication Critical patent/WO2018228795A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for impact hardening of transition radii of a crankshaft, in particular 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 a method for impact hardening of transition radii of a crankshaft.
  • the invention also relates to a crankshaft.
  • crankshafts Due to the steadily progressing development and increase in performance of internal combustion engines and emission requirements imposed on them, today's engines are increasingly stressed in consequence. For this reason, the engine industry, among other things high demands on the high-load and important for the function of an internal combustion engine crankshaft in terms of strength. In terms of design, there is often the requirement that the crankshaft should be light and the space requirement should be low. For the design of the crankshaft, this means that an increase in the load capacity should not be achieved by increasing the cross section, ie via the moment of resistance of the crankshaft, but if possible via local compressive residual stress states. For this reason, modern 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. These are common and largely mature processes that are suitable for a variety of purposes.
  • EP 1 479 480 A1 EP 0 788 419 B1
  • EP 1 612 290 A1 DE 10 2007 028 888 A1
  • EP 1 034 314 B1 EP 1 034 314 B1.
  • 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 the 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 percussion tools in the crankshaft.
  • the invention is also based on the object of providing an improved crankshaft, in particular with regard to its durability.
  • the device according to the invention for impact hardening of transition radii of a crankshaft in particular transition radii between connecting rod journal and crank webs and / or transition radii between the main journal and the crank webs of the crankshaft comprises at least one impact device with a percussion piston, a deflection unit and at least one striking tool.
  • the percussion piston transmits a force impulse to the at least one percussion tool via the deflecting unit, a percussion head of the at least one percussion tool introducing an impact force into the at least one transition radius at a striking angle.
  • the connecting rod journal and the main journals are hereinafter referred to in part as "pin" for simplicity.
  • pin can 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. However, 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 whose fatigue strength is to be improved by the method according to the invention or the device according to the invention does not necessarily have to be 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.
  • an impact force can be understood to mean that a striking head of a striking tool or a so-called "beat" of the striking device strikes against the region of the cure shaft to be consolidated, in the present case a transition radius.
  • the impact is targeted to the desired impact position along the annular radius around the pin transition radius.
  • 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.
  • the impact force in turn can be individually set or aligned individually by changing the impact angle to the maximum stress.
  • the device may optionally have a plurality of impact devices.
  • the device is set up to adjust the distance between a deflection point of the deflection unit and the front end of the impact head of the at least one striking tool.
  • the deflection point may be the center point of the deflection unit or the axis of rotation / suspension of the striking tool or impact tools.
  • front end of the impact head is meant that part (or surface) of the impact head with which the impact head strikes the crankshaft for impact hardening.
  • the distance between the deflection point and the front end of the impact head Due to the distance between the deflection point and the front end of the impact head, the distance between the deflection point and the center of the impact head or the distance between the deflection point and the rear end of the impact head can be adjusted.
  • the angle under which the impact force is introduced into the transition radius can be changed or adjusted.
  • the angle is chosen such that the impact force is introduced at an angle which is exactly adapted to the highest load during operation of the crankshaft body or the maximum load.
  • the solution according to the invention makes it possible to introduce the impact force at a preferred location and at a preferred angle.
  • the methods and devices according to the prior art provide that in the striking solidification of a transition radius, the impact force is introduced in a predetermined fixed angle in the transition radii. For this purpose, a beating angle of approximately 45 ° is usually provided.
  • crankshaft it may be advantageous to choose a different angle instead of a fixed impact angle of, for example, 45 °.
  • the highest loaded point of the crankshaft usually results from the engine operation or is determined by calculation models. For new approaches, the maximum loads from uniaxial loading and from biaxial, superimposed load are considered.
  • the device according to the invention By means of the method according to the invention or the device according to the invention, a high-precision work or impact hardening can be ensured.
  • the impact forces can be deliberately introduced into a stress maximum of the transition radius and extend at an optimum angle, the impact force can optionally be reduced while the achievable fatigue effect remains unchanged.
  • the device according to the invention is thus particularly efficient.
  • crankshaft Due to the application of the impact forces, the fatigue strength of the crankshaft can be increased even further, should this be necessary, starting from the current possibilities in the state of the 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 improved later with respect to its bending and torsional fatigue strength by introducing compressive residual stresses with the device according to the invention or the method according to the invention.
  • the length of the at least one striking tool is adjustable, preferably telescopic.
  • the impact tool may be formed in the manner of a telescopic rail or have a telescopic extension.
  • the at least one striking tool can also be designed as a telescopic tube.
  • the invention is of course not limited to a particular type of telescopic extension or a certain type of telescoping to understand.
  • the length of the at least one impact tool can also be adjusted for example by means of a thread.
  • the length of the at least one impact tool is manually and / or actorically adjustable.
  • an electric motor in particular a linear drive can be provided.
  • the electric motor can be any desired electric motor, for example a three-phase motor, an AC motor, a DC motor or a universal motor.
  • a stepper motor can be used.
  • a changing device can be provided with a magazine in order to exchange the at least one impact tool and / or the impact head and / or the deflecting unit and / or the impact device by the distance between the deflection point of the deflecting unit and the front end of the impact head set the at least one impact tool to another value.
  • Impact device is provided, the impact device or the device can be designed to be particularly robust overall, as may be necessary to dispense with a telescoping of at least one impact tool.
  • the distance between the deflection point of the deflection unit and the impact head of the at least one impact tool can thus be advantageously adjusted by the changing device with the magazine by replacing components of the impact device for length adjustment. It can also be provided that the distance between the deflection point of the deflection unit and the front end of the impact head of the at least one striking tool can be adjusted by using spacers or spacers with different dimensions.
  • two or more impact devices may be provided, wherein the distance between the deflection point of the deflecting device and the front end of the
  • Impact head of a first impact device is not identical to the distance between the deflection point of the deflector and the front end of the impact head of a second impact device.
  • the at least one impact device has two impact tools, wherein the impact tools are arranged on the deflection unit such that each impact tool is assigned to a transition radius. It can therefore be provided that two impact tools are used in a common impact device, which preferably bring in impact forces in both transition radii of a connecting rod journal or a main journal simultaneously.
  • the striking tools can preferably be operated by a common percussion piston.
  • a common pressure pulse device When using a plurality of impact tools and / or impact devices, a common pressure pulse device can be provided, which is able to generate the corresponding impact forces for the striking tools in a hydraulic, pneumatic, mechanical and / or electrical manner (jointly or individually) for the impact tools.
  • the respective distances between the deflection points and the impact heads are identical or at all Schlagwerkmaschineen at least two striking tools differ from each other.
  • the respective distance between the deflection point of the deflection unit and the impact heads of two striking tools which are identical for solidifying transition radii, which adjoin the same pin.
  • the impact angle between the longitudinal axis of the at least one impact tool and a perpendicular to the longitudinal axis of the crankshaft 5 ° to 80 °, preferably 10 ° to 70 °, more preferably 20 ° to 60 ° and particularly preferred 30 ° to 55 °, in particular 35 ° to 50 °.
  • a beating angle of 45 ° can be provided.
  • the impact head has a radius whose size is 75% to 99% of the transition radius, preferably 85% to 98% of the transition radius and more preferably 85% to 95% of the transition radius.
  • the radius of the impact head may also be less than 75% of the transition radius or greater than 95% of the transition radius.
  • the radius of the impact head can also coincide with the transition radius.
  • the impact head may preferably be formed substantially spherical, in particular in the front region or at the front end of the impact head, which beats or to solidify against the crankshaft.
  • the impact head can have any desired geometry and can also be oval, hemispherical or flat, for example.
  • the invention also 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 transition radii between the main journal and the crank webs of the crankshaft.
  • the method also applies to transitions to flanges, cones and other geometric cross-sectional changes - both tangent and deposited radii.
  • the impact angle is selected according to the course of a maximum stress of the transition radius, after which the course of the Beanspru- maxima on the basis of simulations and / or calculations and / or test series of the respective crankshaft type is determined.
  • crankshaft can be impact-hardened with particularly high precision by the adjustment according to the invention of the distance between the deflection point of the deflection unit and the front end of the impact head of the at least one striking tool.
  • crankshafts can be produced whose fatigue strength, in particular their bending and Torsions batfesttechnik, is further optimized.
  • the already available precision allows an already existing fatigue strength to be achieved by the use of low impact forces.
  • At least two transition radii between the connecting rod journal and the crank webs are impact-bonded under a different impact angle and / or that at least two transition radii between the main journal and the crank webs are impact-bonded under a different impact angle and / or in that at least one transition radius between the connecting-rod journal and the crank webs is impact-bonded at a different impact angle than a transition radius between the main journal and the crank webs.
  • the impact angles can thus be set or optimized individually for each transition radius or for groups of transition radii. For example, different impact angles can be used simultaneously in one pivot point.
  • a different impact angle may be provided in the so-called bottom dead center of a connecting rod journal or in a defined region around the bottom dead center than in the remaining region of the transition radius.
  • 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.
  • a control and / or regulating device preferably comprising a microprocessor, be provided to control the corresponding actuators.
  • a microprocessor can also be provided any further means for implementing a control and / or regulating device, for example one or more arrangements of discrete electrical components on a circuit board, a programmable logic controller (PLC), an application-specific integrated circuit (ASIC) or another Programmable circuit, for example, a Field Programmable Gate Array (FPGA), a programmable logic device (PLA) and / or a commercial computer.
  • PLC programmable logic controller
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • PLA programmable logic device
  • 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 crankshaft produced by a method as described above.
  • crankshaft according to the invention differs from conventional crankshafts in particular in that at least two different impact angles are used for their solidification, resulting in a characteristic hardening of the transition radii.
  • FIG. 1 shows an overall view of a device according to the invention for carrying out the method in 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. 6 is an enlarged view of a transition radius and a striking tool with a
  • Impact head wherein the impact tool is aligned to a second impact angle
  • 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.
  • the 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 and 5 to 9) 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 is provided, which has a clamping disk or a mounting flange 10.
  • 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.
  • an input shaft 13 or a drive shaft may be provided.
  • 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 may be arranged to be displaceable, as indicated by the double arrows in Figure 1.
  • FIG. 1 shows two impact devices 1, but in principle any number of impact devices 1 may be provided, for example only a single impact device 1.
  • a position control can be used to rotate the crankshaft 4 in the respective impact position, after which the crankshaft 4 is preferably rotated stepwise or clocked.
  • the impact devices 1 can be moved to the transition radii 8 to be consolidated next.
  • 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 to the essential differences in detail.
  • a drive device 3 is provided.
  • a fastening device 9 is provided, which has a fastening 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 the embodiment shown in FIG. 1, but basically also comprises connecting rod journal 5, main bearing journal 6 and crank webs 7.
  • FIG. 2 (as in FIG. 1), it is possible to turn away from the drive device 3
  • End of the crankshaft 4 may be provided a further fastening device 9, but this may also be omitted.
  • 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 main 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 impact tools 16 in their support plane and at the support angle or impact angle ⁇ (see FIGS 6) to give a deflection unit 20 a corresponding freedom, which is advantageous for adaptation to the dimensional conditions of the crankshaft 4.
  • 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 deflecting unit 20, which transmits the impact energy to the striking tools 16.
  • the intermediate part 22 may optionally be omitted.
  • 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.
  • crankshaft 4 By arranging a plurality of impactors 1 over the length of the crankshaft 4 to be machined, all centric and optionally eccentrically extending regions of the crankshaft 4 can be machined simultaneously if required.
  • a change device 30 with a magazine can be provided in order to exchange the at least one impact tool 16 and / or the impact head 21 and / or the deflection unit 20 and / or the at least one impact device 1 by the distance d between the deflection point Up of the deflection unit 20 and the front end of the impact head 21 of the at least one impact tool 16 to a different value.
  • a change device 30 for exchanging impact tools 16 is indicated.
  • the changing device 30 comprises a selection of striking tools 16 each having a different length. By replacing a striking tool 16, the distance d and thus the impact angle ⁇ can be adjusted.
  • FIG. 4 shows a section of a beating device 1, which may be of essentially identical construction, as in the embodiment of FIG. 3.
  • FIG. 4 schematically shows two telescoping impact tools 16. Due to the adjustable length of the impact tools 16, the distance d between the deflection point U P of the deflection unit 20 and the front end of the impact head 21 is adjustable. As a result, the impact angle ⁇ and optionally also the impact position can be indirectly influenced thereby.
  • the respective distance d between the deflection point U P and the impact head 21 is then not identical, at least in the case of two impact devices 1.
  • a conversion of the beater 1 is therefore not necessary.
  • the crankshaft 4 only has transition radii 8 with two different advantageous impact angles ⁇ , it is therefore preferable to use two correspondingly preset impact devices 1.
  • Striking devices 1 can also be used in which the distance d or the impact angle ⁇ can be set in different ways. It can also be a conventional one
  • Beater be combined with a beating device 1 according to the invention. It can be provided that the impact angle ⁇ between the longitudinal axis L s of the at least one striking tool 16 and a solder l K w to the longitudinal axis C K w of the crankshaft 4 5 ° to 80 °, preferably 10 ° to 70 °, more preferably 20 ° to 60 ° and more preferably 30 ° to 55 °, in particular 35 ° to 50 °.
  • FIGS. 5 and 6 represent in highly schematic form a striking head 21 of a striking tool 16 and an exemplary transition radius 8 of a crankshaft 4. In this case, in the example of FIG.
  • oci is impact-bonded at a first impact angle aci and in FIG. 6 at a second impact angle a 2 .
  • the direction of the impact force F s can pretend, whereby the area of maximum effectiveness of the striking hardening is specifically adjustable. It can also be provided to selectively reduce the impact force F s or to change the direction of action if z. B. reduced cross-sections, holes or other geometric conditions require it.
  • the impact angle ⁇ is selected according to the course of a maximum load MAXL MAX 2 of the transition radius 8, after which the profile of the maximum stress
  • MAXL MAX 2 is determined on the basis of simulations and / or calculations and / or test series of the respective crankshaft type.
  • the impact head 21 is positioned at the same position of the transition radius 8 as in FIG. 5.
  • the distance d between the deflection point U P of the deflection unit 20 and the impact head 21 is set such that the impact tool 16 is aligned at a different impact angle ⁇ As shown in Figure 5.
  • This results in that the impact is introduced at an angle a 2 in the transition radius 8, although the impact head 21 is basically attached to the same position as in Figure 5.
  • the illustration in FIG. 6 deviates particularly strongly from the representation in FIG. 5 for the sake of clarity.
  • the positioning of the impact head 21 in the transition radius 8 can be changed, ie the impact head 21 could possibly also start at a deviating position along the circumference of the transition radius 8, wherein the impact angle ⁇ can be changed simultaneously.
  • the impact head 21 may have a radius r s whose size is 75% to 99% of the transition radius 8, preferably 85% to 98% of the transition radius 8 and particularly preferably 85% to 95% of the transition radius 8.
  • the radius r s of the impact head 21 essentially corresponds to the transition radius 8.
  • exemplary transition radii 8 between a main journal 6 and a crank arm 7 are shown in which the impact hardening is carried out at different angles ⁇ and in which the impact impressions 28 of a percussion head 21 of the percussion tool 16 along the annular to a main journal 6th overlap circumferential transition radius 8.
  • the impact head 21 penetrates at least partially into the impact impression 28 of the preceding impact in a subsequent impact, as a result of which the "trace" shown in the figures results from impact impressions 28.
  • the impact impressions 28 for the illustration are clearly visible on the circumference of the transition radius 8 offset from one another.
  • the deviation is preferably small but nevertheless effective.
  • the staggered course can be achieved by changing the impact angle, as shown in FIG. 6, and / or by changing the point of impact of the impact head 21.
  • a smaller impact angle ⁇ was selected than at the transition radius 8 of Figure 8, ie the distance d between the deflection point U P of the deflection unit 20 and the impact head 21 of the impact tool 16 was greater in the method of FIG Accordingly, the impact impressions 28 in the transition radius 8 shown in FIG. 8 run further up or closer to the crank arm 7 than is the case with the transition radius 8 of FIG.
  • At least two transition radii 8 are impact-bonded ⁇ between the connecting rod journal 5 and the crank webs 7 at a different impact angle and / or that at least two transition radii 8 are impact-bonded between the main journal 6 and the crank webs 7 at a different impact angle ⁇ and / or that at least one transition radius 8 between the connecting rod journal 5 and the crank webs 7 is under an Another impact angle ⁇ is impact-hardened than a transition radius 8 between the main bearing journal 6 and the crank webs 7.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und/oder Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4). Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Schlageinrichtung (1) mit einem Schlagkolben (23), einer Umlenkeinheit (20) und wenigstens einem Schlagwerkzeug (16), wobei der Schlagkolben (23) über die Umlenkeinheit (20) einen Kraftstoß auf das wenigstens eine Schlagwerkzeug (16) überträgt, wobei ein Schlagkopf (21) des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) unter einem Schlagwinkel (α) eine Schlagkraft (FS) in den wenigstens einen Übergangsradius (8) einbringt. Die Vorrichtung ist eingerichtet, um den Abstand (d) zwischen einem Umlenkpunkt (UP) der Umlenkeinheit (20) und dem vorderen Ende des Schlagkopfes (21) des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) einzustellen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schlagverfestigen von Überqangsradien einer Kurbelwelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Über- gangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren 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 Emissionsforderungen werden heutige Motoren in Folge immer stärker beansprucht. 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 mit- tels 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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verfahren und Vorrichtungen zum Schlagverfestigen weiter zu entwickeln, um die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird für die Vorrichtung durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale und für das Verfahren durch die in Anspruch 8 aufgeführten Merkmale gelöst.
Schließlich liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, eine - insbesondere bezüglich ihrer Dauer- festigkeit - 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 Ausfüh- rungsformen und Varianten der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle umfasst wenigstens eine Schlageinrichtung mit einem Schlagkolben, einer Umlenkeinheit und wenigstens einem Schlagwerkzeug. Der Schlagkolben überträgt dabei über die Umlenkeinheit einen Kraftstoß auf das wenigstens eine Schlagwerkzeug, wobei ein Schlagkopf des wenigstens einen Schlagwerkzeugs unter einem Schlagwinkel eine Schlagkraft in den wenigstens einen Übergangsradius einbringt. 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.
Unter dem Einbringen einer Schlagkraft kann verstanden werden, dass ein Schlagkopf eines Schlagwerkzeugs bzw. ein sog. "Döpper" der Schlageinrichtung gegen den zu verfestigenden Bereich der Kur- beiwelle, vorliegend einen Übergangsradius, schlägt. Der Schlag erfolgt dabei zielgerichtet auf die gewünschte Schlagposition entlang des ringförmig um den Zapfen verlaufenden Übergangsradius. Hierzu 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 Prozessparameter sind vorzugsweise auf die jeweilige Kurbelwelle und dabei ggf. auf partielle geometrische Änderungen (Querschnittsänderungen) exakt abgestimmt.
Die Schlagkraft wiederum kann durch Veränderung des Schlagwinkels individuell noch genauer auf das Beanspruchungsmaximum eingestellt bzw. ausgerichtet werden.
Die Vorrichtung kann gegebenenfalls mehrere Schlageinrichtungen aufweisen.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung eingerichtet, um den Abstand zwischen einem Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und dem vorderen Ende des Schlagkopfes des wenigstens einen Schlagwerkzeugs einzustellen. Bei dem Umlenkpunkt kann es sich um den Mittelpunkt der Umlenkeinheit handeln bzw. um die Drehachse/Aufhängung des Schlagwerkzeugs bzw. der Schlagwerkzeuge.
Mit dem vorderen Ende des Schlagkopfes ist der Teil (bzw. die Oberfläche) des Schlagkopfes gemeint, mit dem der Schlagkopf zum Schlagverfestigen gegen die Kurbelwelle schlägt.
Durch den Abstand zwischen dem Umlenkpunkt und dem vorderen Ende des Schlagkopfes kann auch der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt und dem Mittelpunkt des Schlagkopfes oder der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt und dem hinteren Ende des Schlagkopfes einstellbar sein.
Dadurch, dass der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und dem Schlagkopf einstellbar ist, kann der Winkel unter dem die Schlagkraft in den Übergangsradius eingeleitet wird, verändert bzw. eingestellt werden. Vorzugsweise wird der Winkel derart gewählt, dass die Schlagkraft in einem Winkel eingeleitet wird, der genau auf die im Betrieb der Kurbelwelle höchstbelastete Stelle bzw. das Be- anspruchungsmaximum angepasst ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Schlagkraft an einer bevorzugten Stelle und in einem bevorzugten Winkel einzubringen. Die Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sehen vor, dass bei der Schlagverfestigung eines Übergangsradius die Schlagkraft in einem vordefinierten fixen Winkel in die Übergangsradien eingebracht wird. Hierfür ist meist ein Schlagwinkel von ca. 45° vorgesehen.
In Abhängigkeit der Anwendung der Kurbelwelle kann es von Vorteil sein, statt eines festen Schlagwin- kels von beispielsweise 45° einen abweichenden Winkel zu wählen.
Die höchstbelastete Stelle der Kurbelwelle ergibt sich im Regelfall aus dem Motorenbetrieb bzw. wird über Berechnungsmodelle bestimmt. Für neue Betrachtungsansätze werden dazu die maximalen Belastungen aus einaxialer Belastung und aus biaxialer, überlagerter Belastung betrachtet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein hochpräzises Arbeiten bzw. Schlagverfestigen gewährleistet sein. Dadurch, dass die Schlagkräfte gezielt in ein Beanspruchungsmaximum des Übergangsradius eingebracht werden können und in einem optimalen Winkel verlaufen, kann gegebenenfalls die Schlagkraft reduziert werden, während der erreichbare Dauerfestig- keitseffekt unverändert bleibt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit besonders effizient.
Anwendungsbedingt kann durch das gezielte Einbringen der Schlagkräfte die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle - ausgehend von den derzeitigen Möglichkeiten im Stand der Technik - sogar noch erhöht werden, sollte dies erforderlich sein. 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 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren verbessert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Länge des wenigstens einen Schlagwerkzeugs einstellbar, vorzugsweise teleskopierbar ist.
Hierzu kann das Schlagwerkzeug in der Art einer Teleskopschiene ausgebildet sein bzw. einen Teleskopauszug aufweisen. Das wenigstens eine Schlagwerkzeug kann auch als Teleskoprohr ausgebildet sein. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf eine bestimmte Art des Teleskopauszugs bzw. eine bestimmte Art der Teleskopierbarkeit beschränkt zu verstehen.
Die Länge des wenigstens einen Schlagwerkzeugs kann beispielsweise auch über ein Gewinde eingestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Länge des wenigstens einen Schlagwerkzeugs manuell und/oder ak- torisch einstellbar ist. Hierzu kann beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein Linearantrieb, vorgesehen sein. Bei dem Elektromotor kann es sich grundsätzlich aber um einen beliebigen Elektromotor, beispielsweise einen Drehstrommotor, einen Wechselstrommotor, einen Gleichstrommotor oder einen Universalmotor, handeln. Vorzugsweise kann ein Schrittmotor verwendet werden. In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Wechseleinrichtung mit einem Magazin vorgesehen sein, um das wenigstens eine Schlagwerkzeug und/oder den Schlagkopf und/oder die Umlenkeinheit und/oder die Schlageinrichtung auszutauschen, um den Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und dem vorderen Ende des Schlagkopfes des wenigstens einen Schlagwerkzeugs auf einen anderen Wert einzustellen.
Durch die hohen Schlagkräfte wirken bekanntermaßen hohe mechanische Belastungen auf die Komponenten der Schlageinrichtung. Insbesondere bei Verwendung filigraner Bauteile zur Einstellung der Länge des wenigstens einen Schlagwerkzeugs kann dadurch die Lebensdauer der Schlageinrichtung bzw. deren Komponenten eingeschränkt sein. Wenn ein Magazin bzw. eine Wechseleinrichtung für das we- nigstens eine Schlagwerkzeug und/oder den Schlagkopf und/oder die Umlenkeinheit und/oder die
Schlageinrichtung vorgesehen ist, kann die Schlageinrichtung bzw. die Vorrichtung insgesamt besonders robust ausgebildet sein, da gegebenenfalls auf eine Teleskopierung des wenigstens einen Schlagwerkzeugs verzichtet werden kann. Der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und dem Schlagkopf des wenigstens einen Schlagwerkzeugs kann somit vorteilhaft durch die Wechseleinrichtung mit dem Magazin einstellbar sein, indem Komponenten der Schlageinrichtung zur Längeneinstellung ausgetauscht werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und dem vorderen Ende des Schlagkopfes des wenigstens einen Schlagwerkzeugs durch Verwenden von Distanzringen bzw. Abstandshaltern mit unterschiedlichen Abmessungen einstellbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung können zwei oder mehrere Schlageinrichtungen vorgesehen sein, wobei der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinrichtung und dem vorderen Ende des
Schlagkopfes einer ersten Schlageinrichtung nicht identisch ist mit dem Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinrichtung und dem vorderen Ende des Schlagkopfes einer zweiten Schlageinrichtung.
Es können somit mehrere unabhängig voneinander verwendbare Schlagwerkzeuge, insbesondere durch Verwenden mehrerer Schlageinrichtungen mit jeweils einem oder mehreren Schlagwerkzeugen, vorgesehen sein, die jeweilige Schlagkräfte in beliebige Übergangsradien der Kurbelwelle einzubringen vermögen, wobei eine entsprechende Synchronisierung untereinander bzw. zwischen Steuerungen der Schlagwerkzeuge vorgesehen sein kann. Die Schlagverfestigung der Kurbelwelle kann somit auch besonders schnell erfolgen, da mehrere Schlageinrichtungen gleichzeitig verwendbar sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Schlageinrichtung zwei Schlagwerkzeuge aufweist, wobei die Schlagwerkzeuge derart an der Umlenkeinheit angeordnet sind, dass jedes Schlagwerkzeug einem Übergangsradius zugeordnet ist. Es kann also vorgesehen sein, dass zwei Schlagwerkzeuge in einer gemeinsamen Schlageinrichtung verwendet werden, die vorzugsweise Schlagkräfte in beide Übergangsradien eines Pleuellagerzapfens oder eines Hauptlagerzapfens gleichzeitig einbringen.
Dies gilt auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsverände- rungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Die Schlagwerkzeuge können vorzugsweise von einem gemeinsamen Schlagkolben betrieben werden.
Bei Verwendung mehrerer Schlagwerkzeuge und/oder Schlageinrichtungen kann eine gemeinsame Dru- ckimpulsvorrichtung vorgesehen sein, die die entsprechenden Schlagkräfte für die Schlagwerkzeuge auf hydraulische, pneumatische, mechanische und/oder elektrische Weise (gemeinsam oder individuell) für die Schlagwerkzeuge zu erzeugen vermag.
Bei Verwendung mehrerer Schlageinrichtungen kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Abstände zwischen den Umlenkpunkten und den Schlagköpfen bei allen Schlagwerkzeugen identisch sind oder bei zumindest zwei Schlagwerkzeugen voneinander abweichen. Vorzugsweise ist der jeweilige Abstand zwischen dem Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und den Schlagköpfen zweier Schlagwerkzeuge, die zur Verfestigung von Übergangsradien, die an denselben Zapfen angrenzen, identisch. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schlagwinkel zwischen der Längsachse des wenigstens einen Schlagwerkzeugs und einem Lot zu der Längsachse der Kurbelwelle 5° bis 80°, vorzugsweise 10° bis 70°, weiter bevorzugt 20° bis 60° und besonders bevorzugt 30° bis 55°, insbesondere 35° bis 50°, beträgt. Vorzugsweise kann, insbesondere wenn das Beanspruchungsmaximum nicht genau bekannt ist, ein Schlagwinkel von 45° vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass der Schlagkopf einen Radius aufweist, dessen Größe 75% bis 99% des Übergangsradius, vorzugsweise 85% bis 98% des Über- gangsradius und besonders bevorzugt 85% bis 95% des Übergangsradius beträgt.
Der Radius des Schlagkopfes kann aber auch kleiner sein als 75% des Übergangsradius oder größer sein als 95% des Übergangsradius. Der Radius des Schlagkopfes kann auch mit dem Übergangsradius übereinstimmen.
Der Schlagkopf kann vorzugsweise im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet sein, insbesondere im vorderen Bereich bzw. am vorderen Ende des Schlagkopfes, der bzw. das zur Verfestigung gegen die Kurbelwelle schlägt. Grundsätzlich kann der Schlagkopf aber eine beliebige Geometrie aufweisen und beispielsweise auch oval, halbkugelförmig oder flach ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien einer Kurbelwelle, insbesondere von Übergangsradien zwischen Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen und/oder Übergangsradien zwischen Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen der Kurbelwelle. Das Verfahren betrifft auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien.
Merkmale, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wurden, sind selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft umsetzbar - und umge- kehrt. Ferner können Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt wurden, auch auf das erfindungsgemäße Verfahren bezogen verstanden werden - und umgekehrt.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Schlagwinkel entsprechend dem Verlauf eines Beanspruchungsmaximums des Übergangsradius gewählt wird, wonach der Verlauf des Beanspru- chungsmaximums auf Basis von Simulationen und/oder Berechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps bestimmt wird.
Die höchstbelasteten Stellen der Kurbelwelle werden vorzugsweise im Vorfeld identifiziert. Durch die er- findungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann dann die Schlagkraft gezielt in die entsprechenden Beanspruchungsmaxima eingebracht werden. Durch Berücksichtigung der individuellen Anforderungen an verschiedene Kurbelwellentypen und Einsatzzwecke der Kurbelwellen kann die Kurbelwelle durch das erfindungsgemäße Einstellen des Abstands zwischen Umlenkpunkt der Umlenkeinheit und dem vorderen Ende des Schlagkopfes des wenigstens einen Schlagwerkzeugs mit beson- ders hoher Präzision schlagverfestigt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung wird nicht nur der Schlagpunkt, sondern auch die Schlagrichtung festlegbar. Hierdurch können Kurbelwellen hergestellt werden, deren Dauerschwingfestigkeit, insbesondere deren Biege- und Torsionswechselfestigkeit, weiter optimiert ist. Alterna- tiv kann durch die nunmehr zur Verfügung stehende Präzision eine bestehende Dauerschwingfestigkeit bereits durch den Einsatz geringer Schlagkräfte erreicht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien zwischen den Pleuellagerzapfen und den Kurbelwangen und/oder alle Übergangsradien zwischen den Hauptlagerzap- fen und den Kurbelwangen unter demselben Schlagwinkel schlagverfestigt werden.
Es können auch alle Übergänge zu Flanschen, Zapfen und/oder sonstige geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien - unter demselben Schlagwinkel schlagverfestigt werden.
Es kann also vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien der Kurbelwelle unter demselben Schlagwinkel schlagverfestigt werden, wobei der hierzu gewählte Schlagwinkel hinsichtlich der höchstbelasteten Stelle der Kurbelwelle optimiert ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien der Pleuellagerzapfen unter einem ersten Schlagwinkel schlagverfestigt werden und alle Übergangsradien der Hauptlagerzapfen unter einem zweiten Schlagwinkel schlagverfestigt werden, wobei der erste und der zweite Schlagwinkel entsprechend der jeweils höchstbelasteten Stellen bzw. dem Verlauf des Beanspruchungsmaximums optimiert sind.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Über- gangsradien zwischen den Pleuellagerzapfen und den Kurbelwangen unter einem unterschiedlichen Schlagwinkel schlagverfestigt werden und/oder dass wenigstens zwei Übergangsradien zwischen den Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen unter einem unterschiedlichen Schlagwinkel schlagverfestigt werden und/oder dass wenigstens ein Übergangsradius zwischen dem Pleuellagerzapfen und den Kurbelwangen unter einem anderen Schlagwinkel schlagverfestigt wird, als ein Übergangsradius zwischen den Hauptlagerzapfen und den Kurbelwangen. Die Schlagwinkel können somit individuell für jeden Übergangsradius oder für Gruppen von Übergangsradien festgelegt bzw. optimiert werden. Beispielsweise können in einer Zapfenstelle gleichzeitig unterschiedliche Schlagwinkel zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann schließlich auch vorgesehen sein, dass während der Schlagverfestigung eines ringförmig um den Pleuellagerzapfen und/oder den Hauptlagerzapfen umlaufenden Übergangsradius der Schlagwinkel verändert wird.
Dies gilt selbstverständlich auch für Übergänge zu Flanschen, Zapfen und/oder sonstigen geometrischen Querschnittsveränderungen - sowohl für tangierende wie hinterlegte Radien. Es hat sich gezeigt, dass sich hierdurch eine weitere Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit bzw. Biegewechselfestigkeit und/oder Torsionswechselfestigkeit erreichen lässt.
Beispielsweise kann im sogenannten unteren Totpunkt eines Pleuellagerzapfens bzw. in einem definierten Bereich um den unteren Totpunkt herum ein anderer Schlagwinkel vorgesehen sein als im restlichen Bereich des Übergangsradius.
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 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. Insbesondere wenn vorgesehen ist, dass der Schlagwinkel während dem Schlagverfestigen eines Übergangsradius aktorisch verändert wird, kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, vorzugsweise umfassend einen Mikroprozessor, vorgesehen sein, um die entsprechende Aktorik anzusteuern.
Anstelle eines Mikroprozessors kann auch eine beliebig weitere Einrichtung zur Implementierung einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere Anordnungen diskreter elektrischer Bauteile auf einer Leiterplatte, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine sonstige programmierbare Schaltung, beispielsweise auch ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine programmierbare logische Anordnung (PLA) und/oder ein handelsüblicher Computer.
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 eine Kurbelwelle, hergestellt nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren.
Die erfindungsgemäße Kurbelwelle unterscheidet sich von herkömmlichen Kurbelwellen insbesondere dadurch, dass zu deren Verfestigung wenigstens zwei unterschiedliche Schlagwinkel verwendet werden, wodurch sich eine charakteristische Verfestigung der Übergangsradien ergibt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegen- den 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 Unterkombinationen 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- rens in 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 zwei teleskopierbaren Schlagwerkzeugen;
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Übergangsradius und eines Schlagwerkzeugs mit einem
Schlagkopf, wobei das Schlagwerkzeug auf einen ersten Schlagwinkel ausgerichtet ist;
Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines Übergangsradius und eines Schlagwerkzeugs mit einem
Schlagkopf, wobei das Schlagwerkzeug auf einen zweiten Schlagwinkel ausgerichtet ist;
Fig. 7 einen schlagverfestigten Übergangsradius, bei dem ein erster Schlagwinkel zur Schlagverfestigung verwendet wurde;
Fig. 8 einen schlagverfestigten Übergangsradius, bei dem ein zweiter Schlagwinkel zur Schlagverfestigung verwendet wurde; und
Fig. 9 einen schlagverfestigten Übergangsradius, bei dem der Schlagwinkel während der Schlagverfestigung entlang des ringförmig um den Zapfen umlaufenden Übergangsradius variiert wurde.
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 und 5 bis 9) 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. Zur Übertragung der Antriebsleistung kann eine Eingangswelle 13 bzw. eine Antriebswelle vorgesehen 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 angedeutet.
In der Figur 1 sind zwei Schlageinrichtungen 1 dargestellt, grundsätzlich kann aber eine beliebige Anzahl von Schlageinrichtungen 1 vorgesehen sein, beispielsweise auch nur eine einzige Schlageinrichtung 1 .
Für den Betrieb der Antriebseinrichtung 3, die vorzugsweise einen Elektromotor umfasst, kann eine Lageregelung verwendet werden, um die Kurbelwelle 4 in die jeweilige Schlagposition zu drehen, wonach die Kurbelwelle 4 vorzugsweise schrittweise bzw. getaktet gedreht wird. Nachdem ein Übergangsradius 8 in gewünschter Weise schlagverfestigt wurde, kann die bzw. können die Schlageinrichtungen 1 an die als nächstes zu verfestigenden Übergangsradien 8 bewegt werden.
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 vorgese- hen, 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 im Abstützwinkel bzw. Schlagwinkel α (vgl. Figuren 4 bis 6) 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 Schlagwerkzeuge 16 weitergibt, her. Das Zwischenteil 22 kann gegebenenfalls auch entfallen. 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.
Durch Anordnung mehrerer Schlageinrichtungen 1 über die Länge der zu bearbeitenden Kurbelwelle 4 können im Bedarfsfall alle zentrisch und gegebenenfalls exzentrisch verlaufenden Bereiche der Kurbelwelle 4 gleichzeitig bearbeitet werden.
Erfindungsgemäß überträgt der Schlagkolben 23 über die Umlenkeinheit 20 einen Kraftstoß auf die Schlagwerkzeuge 16, wonach die Schlagköpfe 21 der Schlagwerkzeuge 16 unter einem Schlagwinkel α eine Schlagkraft Fs in die Übergangsradien 8 einbringen. Dabei ist vorgesehen, dass der Abstand d (vgl. Figur 4) zwischen dem Umlenkpunkt UP der Umlenkeinheit 20 und dem vorderen Ende des jeweiligen Schlagkopfes 21 der Schlagwerkzeuge 16 einstellbar ist.
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.
In Figur 3 ist die technische Lösung zur Einstellung des Abstands d nur stark schematisiert dargestellt. Es kann beispielsweise eine Wechseleinrichtung 30 mit einem Magazin vorgesehen sein, um das wenigstens eine Schlagwerkzeug 16 und/oder den Schlagkopf 21 und/oder die Umlenkeinheit 20 und/oder die wenigstens eine Schlageinrichtung 1 auszutauschen, um den Abstand d zwischen dem Umlenkpunkt Up der Umlenkeinheit 20 und dem vorderen Ende des Schlagkopfes 21 des wenigstens einen Schlagwerkzeugs 16 auf einen anderen Wert einzustellen. In Figur 3 wird eine Wechseleinrichtung 30 zum Austauschen von Schlagwerkzeugen 16 angedeutet. Die Wechseleinrichtung 30 umfasst hierfür eine Auswahl von Schlagwerkzeugen 16 mit jeweils unterschiedlicher Länge. Durch einen Austausch eines Schlagwerkzeugs 16 kann der Abstand d und somit der Schlagwinkel α eingestellt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Länge der Schlagwerkzeuge 16 einstellbar, vorzugsweise te- leskopierbar ist. Ein entsprechender Aufbau ist in Figur 4 dargestellt. Figur 4 zeigt dabei einen Ausschnitt einer Schlageinrichtung 1 , die im Wesentlichen identisch ausgebildet sein kann, wie in der Ausführungsform der Figur 3.
In Figur 4 sind zwei teleskopierbare Schlagwerkzeuge 16 schematisch dargestellt. Durch die einstellbare Länge der Schlagwerkzeuge 16 ist der Abstand d zwischen dem Umlenkpunkt UP der Umlenkeinheit 20 und dem vorderen Ende des Schlagkopfes 21 einstellbar. Hierdurch lässt sich also mittelbar auch der Schlagwinkel α und gegebenenfalls auch die Schlagposition beeinflussen.
Es kann auch, wie in Figur 1 dargestellt, vorgesehen sein, mehrere Schlageinrichtungen 1 einzusetzen. Vorzugsweise ist dann der jeweilige Abstand d zwischen dem Umlenkpunkt UP und dem Schlagkopf 21 wenigstens bei zwei Schlageinrichtungen 1 nicht identisch. Dies ermöglicht es, die Schlageinrichtungen 1 jeweils zur Schlagverfestigung eines Übergangsradius 8 oder einer Gruppe von Übergangsradien 8 einzusetzen, wobei die Schlagwerkzeuge 16 der jeweiligen Schlageinrichtung 1 jeweils bereits auf den vorzugsweise vorgesehenen Schlagwinkel α eingestellt sind. Ein Umrüsten der Schlageinrichtung 1 ist somit nicht notwendig. Insofern die Kurbelwelle 4 nur Übergangsradien 8 mit zwei verschiedenen vorteilhaften Schlagwinkeln α aufweist, genügen daher vorzugsweise zwei entsprechend voreingestellte Schlageinrichtungen 1 .
Es kann z. B. vorgesehen sein, dass eine erste Schlageinrichtung 1 Schlagkräfte Fs unter einem ersten Schlagwinkel und eine zweite Schlageinrichtung 1 Schlagkräfte Fs unter einem zweiten Schlagwinkel α2 einbringt. Es können auch Schlageinrichtungen 1 eingesetzt werden, bei denen der Abstand d bzw. der Schlagwinkel α auf unterschiedliche Weise einstellbar ist. Es kann auch eine herkömmliche
Schlageinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Schlageinrichtung 1 kombiniert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Schlagwinkel α zwischen der Längsachse Ls des wenigstens einen Schlagwerkzeugs 16 und einem Lot lKw zu der Längsachse CKw der Kurbelwelle 4 5° bis 80°, vorzugsweise 10° bis 70°, weiter bevorzugt 20° bis 60° und besonders bevorzugt 30° bis 55°, insbesondere 35° bis 50°, beträgt. Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge sind in den Figuren 5 und 6 Vergrößerungen dargestellt, die stark schematisiert einen Schlagkopf 21 eines Schlagwerkzeugs 16 und einen beispielhaften Übergangsradius 8 einer Kurbelwelle 4 darstellen. Dabei wird im Beispiel der Figur 5 unter einem ersten Schlagwinkel oci und in der Figur 6 unter einem zweiten Schlagwinkel a2 schlagverfestigt. Durch die entsprechende Einstellung des Schlagwinkels α über die Veränderung des Abstands d zwischen dem Umlenkpunkt UP der Umlenkeinheit 20 und dem Schlagkopf 21 des Schlagwerkzeugs 16 lässt sich die Richtung der Schlagkraft Fs vorgeben, wodurch der Bereich größter Wirksamkeit der Schlagverfestigung gezielt einstellbar ist. Es kann auch vorgesehen sein die Schlagkraft Fs gezielt zu reduzieren bzw. die Wirkrichtung zu verändern, wenn z. B. reduzierte Querschnitte, Bohrungen oder andere geometrische Verhältnisse dies erfordern.
Vorzugsweise wird der Schlagwinkel α entsprechend dem Verlauf eines Beanspruchungsmaximums MAXL MAX2 des Übergangsradius 8 gewählt, wonach der Verlauf des Beanspruchungsmaximums
MAXL MAX2 auf Basis von Simulationen und/oder Berechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps bestimmt wird.
In Figur 6 ist der Schlagkopf 21 an derselben Position des Übergangsradius 8 positioniert wie bei Figur 5. Allerdings ist der Abstand d zwischen dem Umlenkpunkt UP der Umlenkeinheit 20 und dem Schlagkopf 21 derart eingestellt, dass das Schlagwerkzeug 16 in einem anderen Schlagwinkel α ausgerichtet ist wie in Figur 5. Dadurch ergibt sich, dass der Schlag im Winkel a2 in den Übergangsradius 8 eingebracht wird, obwohl der Schlagkopf 21 grundsätzlich an der gleichen Position wie in Figur 5 angesetzt ist. Die Darstellung in Figur 6 weicht zur Verdeutlichung besonders stark von der Darstellung in der Figur 5 ab.
Grundsätzlich kann auch die Positionierung des Schlagkopfes 21 in dem Übergangsradius 8 verändert werden, d. h. der Schlagkopf 21 könnte ggf. auch an einer abweichenden Position entlang des Umfangs des Übergangsradius 8 ansetzen, wobei gleichzeitig der Schlagwinkel α veränderbar sein kann. Der Schlagkopf 21 kann einen Radius rs aufweisen, dessen Größe 75% bis 99% des Übergangsradius 8, vorzugsweise 85% bis 98% des Übergangsradius 8 und besonders bevorzugt 85% bis 95% des Übergangsradius 8 beträgt. Vorzugsweise entspricht der Radius rs des Schlagkopfes 21 dem Übergangsradi- us 8 im Wesentlichen.
In den Figuren 7 und 8 sind beispielhafte Übergangsradien 8 zwischen einem Hauptlagerzapfen 6 und einer Kurbelwange 7 dargestellt, bei denen die Schlagverfestigung unter verschiedenen Schlagwinkeln α erfolgt ist und bei denen sich die Schlageindrücke 28 eines Schlagkopfes 21 des Schlagwerkzeugs 16 entlang des ringförmig um einen Hauptlagerzapfen 6 umlaufenden Übergangsradius 8 überlappen. Dabei dringt der Schlagkopf 21 bei einem nachfolgenden Schlag zumindest teilweise in den Schlageindruck 28 des vorhergehenden Schlages ein, wodurch die in den Figuren dargestellte "Spur" aus Schlageindrücken 28 entsteht.
In den Figuren 7 und 8 verlaufen die Schlageindrücke 28 zur bildlichen Darstellung deutlich erkennbar auf dem Umfang des Übergangsradius 8 versetzt voneinander. Tatsächlich ist die Abweichung vorzugsweise nur gering, aber gleichwohl wirksam. Der versetzte Verlauf kann durch einen geänderten Schlagwinkel , wie in Figur 6 dargestellt und/oder durch einen geänderten Ansatzpunkt des Schlagkopfes 21 erreicht werden. Bei dem Übergangsradius 8 der Figur 7 wurde ein kleinerer Schlagwinkel α gewählt, als bei dem Übergangsradius 8 der Figur 8, d. h. der Abstand d zwischen dem Umlenkpunkt UP der Umlenkeinheit 20 und dem Schlagkopf 21 des Schlagwerkzeugs 16 war bei dem Verfahren gemäß Figur 7 größer eingestellt, als bei dem Übergangsradius 8 der Figur 8. Demnach verlaufen die Schlageindrücke 28 bei dem in Figur 8 dargestellten Übergangsradius 8 weiter oben bzw. näher an der Kurbelwange 7 als dies bei dem Übergangsradius 8 der Figur 7 der Fall ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Schlagwinkel α eines Schlagwerkzeugs 16 während der Schlagverfestigung eines Übergangsradius 8 entlang des ringförmig um den Pleuellagerzapfen 5 und/oder Hauptlagerzapfen 6 umlaufenden jeweiligen Übergangsradius 8 verändert wird. Dies ist in Figur 9 dargestellt.
Es kann vorgesehen sein, dass alle Übergangsradien 8 zwischen Pleuellagerzapfen 5 und den Kurbelwangen 7 mit einem ersten Schlagwinkel α und alle Übergangsradien 8 zwischen den Hauptlagerzapfen 6 und den Kurbelwangen 7 unter einem zweiten Schlagwinkel α schlagverfestigt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Übergangsradien 8 zwischen den Pleuellagerzapfen 5 und den Kurbelwangen 7 unter einem unterschiedlichen Schlagwinkel α schlagverfestigt werden und/oder dass wenigstens zwei Übergangsradien 8 zwischen den Hauptlagerzapfen 6 und den Kurbelwangen 7 unter einem unterschiedlichen Schlagwinkel α schlagverfestigt werden und/oder dass wenigstens ein Übergangsradius 8 zwischen dem Pleuellagerzapfen 5 und den Kurbelwangen 7 unter ei- nem anderen Schlagwinkel α schlagverfestigt wird als ein Übergangsradius 8 zwischen den Hauptlagerzapfen 6 und den Kurbelwangen 7.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Vorrichtung zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und/oder Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4), umfassend wenigstens eine Schlageinrichtung (1) mit einem Schlagkolben (23), einer Umlenkeinheit (20) und wenigstens einem Schlagwerkzeug (16), wobei der Schlagkolben (23) über die Umlenkeinheit (20) einen Kraftstoß auf das wenigstens eine Schlagwerkzeug (16) überträgt, wobei ein Schlagkopf (21) des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) unter einem Schlagwinkel (a) eine Schlagkraft (Fs) in den wenigstens einen Übergangsradius (8) einbringt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Vorrichtung eingerichtet ist, um den Abstand (d) zwischen einem Umlenkpunkt (UP) der Umlenkeinheit (20) und dem vorderen Ende des Schlagkopfes (21) des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) einzustellen.
Vorrichtung 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 Länge des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) einstellbar, vorzugsweise teleskopierbar ist.
Vorrichtung 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
eine Wechseleinrichtung (30) mit einem Magazin vorgesehen ist, um das wenigstens eine Schlagwerkzeug (16) und/oder den Schlagkopf (21) und/oder die Umlenkeinheit (20) und/oder die Schlageinrichtung (1) auszutauschen, um den Abstand (d) zwischen dem Umlenkpunkt (UP) der Umlenkeinheit (20) und dem vorderen Ende des Schlagkopfes (21) des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) auf einen anderen Wert einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
zwei oder mehrere Schlageinrichtungen (1) vorgesehen sind, wobei der Abstand zwischen dem Umlenkpunkt (UP) der Umlenkeinheit (20) und dem vorderen Ende des wenigstens einen Schlagkopfes (21) einer ersten Schlageinrichtung (1) nicht identisch ist mit dem Abstand zwischen dem Umlenkpunkt (UP) der Umlenkeinheit (20) und dem vorderen Ende des wenigstens einen Schlagkopfes (21) einer zweiten Schlageinrichtung (1).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wenigstens eine Schlageinrichtung (1) zwei Schlagwerkzeuge (16) aufweist, wobei die Schlagwerkzeuge (16) derart an der Umlenkeinheit (20) angeordnet sind, dass jedes Schlagwerkzeug (16) einem Übergangsradius (8) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Schlagwinkel (a) zwischen der Längsachse (Ls) des wenigstens einen Schlagwerkzeugs (16) und einem Lot (lKw) zu der Längsachse (CKw) der Kurbelwelle (4) 5° bis 80°, vorzugsweise 10° bis 70°, weiter bevorzugt 20° bis 60° und besonders bevorzugt 30° bis 55°, insbesondere 35° bis 50°, beträgt.
Vorrichtung 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
der Schlagkopf (21) einen Radius (rs) aufweist, dessen Größe 75% bis 99% des Übergangsradius (8), vorzugsweise 85% bis 98% des Übergangsradius (8) und besonders bevorzugt 85% bis 95% des Übergangsradius (8) beträgt.
Verfahren zum Schlagverfestigen von Übergangsradien (8) einer Kurbelwelle (4), insbesondere von Übergangsradien (8) zwischen Pleuellagerzapfen (5) und Kurbelwangen (7) und/oder Übergangsradien (8) zwischen Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) der Kurbelwelle (4) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Schlagwinkel (a) entsprechend dem Verlauf eines Beanspruchungsmaximums (MAX!, MAX2) des Übergangsradius (8) gewählt wird, wonach der Verlauf des Beanspruchungsmaximums (MAXL MAX2) auf Basis von Simulation und/oder Berechnungen und/oder Versuchsreihen des jeweiligen Kurbelwellentyps bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
alle Übergangsradien (8) zwischen den Pleuellagerzapfen (5) und den Kurbelwangen (7) und/oder alle Übergangsradien (8) zwischen den Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) unter demselben Schlagwinkel (a) schlagverfestigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens zwei Übergangsradien (8) zwischen den Pleuellagerzapfen (5) und den Kurbelwangen (7) unter einem unterschiedlichen Schlagwinkel (a) schlagverfestigt werden und/oder dass wenigstens zwei Übergangsradien (8) zwischen den Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7) un- ter einem unterschiedlichen Schlagwinkel (a) schlagverfestigt werden und/oder dass wenigstens ein Übergangsradius (8) zwischen den Pleuellagerzapfen (5) und den Kurbelwangen (7) unter einem anderen Schlagwinkel (a) schlagverfestigt wird als ein Übergangsradius (8) zwischen den Hauptlagerzapfen (6) und den Kurbelwangen (7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
während der Schlagverfestigung eines ringförmig um den Pleuellagerzapfen (5) und/oder den Hauptlagerzapfen (6) umlaufenden Übergangsradius (8) der Schlagwinkel (a) verändert wird.
Kurbelwelle (4), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12.
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