• 专利附录
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  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Werkstück, insbesondere Kurbelwelle, dessen Oberfläche in einem zu härtenden Bereich (4, 4') mehrere voneinander beabstandete, gehärtete, vorzugsweise lasergehärtete, Teilbereiche aufweist, wobei die Ausdehnung (d) der gehärteten, vorzugsweise im Wesentlichen punktförmigen, Teilbereiche über den zu härtenden Bereich (4, 4') variiert.
    公开号:DE102004026263A1
    申请号:DE200410026263
    申请日:2004-05-28
    公开日:2004-12-23
    发明作者:Georg Toplack
    申请人:GE Jenbacher GmbH and Co oHG；
    IPC主号:F16C3-06
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück, insbesondere Kurbelwelle,dessen Oberfläche ineinem zu härtendenBereich mehrere voneinander beabstandete, gehärtete, vorzugsweise lasergehärtete Teilbereicheaufweist.
    [0002] Werkstücke, insbesondereKurbelwellen, die das Herzstückeiner jeden Hubkolbenmaschine darstellen, sind hoch belastete Teileund müssendaher dauertest ausgelegt werden. Aufgrund der gekröpften Ausführung vonKurbelwellen entsteht ein sehr ungleichmäßiger Kraftfluss, sodass insbesonderein den Übergangsradienzwischen den Zapfen und den Wangen hohe Spannungsbelastungen auftreten.Um die Dauerwechselfestigkeit zu steigern, sind gemäß dem Standder Technik einige Verfahren bereits bekannt, die eine Druckvorspannungin die Oberflächenschichteinbringen. Zu den bereits bekannten Verfahren zählen etwa das Hochfrequenzhärten, das Nitrieren,das Rollieren, das Hämmernbzw. auch die Kombination aus Härtenund Hämmern.
    [0003] ZumStand der Technik gehörtbeispielsweise auch die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 26 165 A1 , bei welcherzum Härteneines Oberflächenbereichseines Werkstückesnacheinander punktförmigeTeilbereiche des Oberflächenbereichsmittels eines gepulsten Laserstrahls erzeugt werden. Durch die punktuelleAnordnung der Härtepunktein einer Matrix werden Druckspannungszentren erzeugt, wobei sichzwischen den einzelnen Punkten immer relativ zähes Material des Ausgangszustandesbefindet. Beim Stand der Technik sind die Härtepunkte in einem äquidistantenMuster angelegt. Im Weiteren ist es gemäß dem Stand der Technik bereitsbekannt, den Abstand der Härtepunktezueinander innerhalb der Matrix zu verändern.
    [0004] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Werkstück mit höherer Dauerwechselfestigkeitzu schaffen.
    [0005] Dieswird erfindungsgemäß dadurcherreicht, dass die Ausdehnung der gehärteten, vorzugsweise im WesentlichenpunktförmigenTeilbereiche überden zu härtendenBereich variiert.
    [0006] Mitanderen Worten ist die Größe der Härtepunkteungleichmäßig. Indiesem Zusammenhang ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass derAbstand s der gehärtetenTeilbereiche überden zu härtenden Bereichvariiert. Damit wird ein sanfter Verlauf ohne abrupte Grenzen deszu härtendenBereiches ermöglicht.Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass durch dieses Konzept sich eventuellan den gehärtetenTeilbereichen entwickelnde Risse im umgebenden, ungehärteten Materialgestoppt werden und damit die Dauerwechselfestigkeit verbessertwird. Die Anordnung, Größe und Tiefeder Härtepunktekann durch die Laserparameter, insbesondere Fokus, Leistung undPulsdauer, kontrolliert festgelegt werden.
    [0007] WeitereVorteile der Erfindung bestehen in der kurzen Durchlaufzeit derzu behandelnden Werkstücke,damit wird der Energieverbrauch bzw. die Wärmeentwicklung reduziert. Esist auch kein Schleifprozess nach dem Härtevorgang erforderlich, außerdem können gegebenenfallsvorhandene Verzüge(Abweichungen der Achsparallelitäten)mit dem System korrigiert werden.
    [0008] Dadurch,dass die als Verhältnisvon Ausdehnung eines gehärtetenTeilbereiches zum Abstand des nächstliegendenTeilbereiches definierte Dichte d/s für zumindest einen Teil deszu härtenden Bereiches,vorzugsweise fürim Wesentlichen alle gehärtetenTeilbereiche, zum Rand des zu härtenden Bereicheshin abnimmt, wird einerseits ein sanfter Grenzverlauf des gehärteten Bereichsermöglicht, andererseitswird dabei eine geringere Hitzeentwicklung gewährleistet, wodurch Deformationenbzw. Energieverbrauch minimiert werden können. Dies wird auch dadurcherreicht, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereiche zum Randhin abnimmt.
    [0009] Dadurch,dass der Rand des zu härtenden Bereichesin einer ebenen Abwicklung einen im Wesentlichen polygonalen oderellipsenförmigenVerlauf aufweist, wird erreicht, dass sich die Druckspannungen vomMittelpunkt des Härtebereichsausgehend gleichmäßig verteilen.
    [0010] Dadurch,dass die gehärtetenTeilbereiche zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich, imabgerundeten Übergangsbereich angeordnetsind, kann eine lokale Härtungjener Zone durchgeführtwerden, wo die Druckspannungen am größten sind.
    [0011] Esist günstig,wenn die gehärtetenTeilbereiche zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich, imabgerundeten Übergangsbereichangeordnet sind, wobei es ausreicht, wenn nur innerhalb eines zurWange weisenden Winkelsektors α einsHärtungerfolgt.
    [0012] Gemäß einemweiteren Ausführungsbeispiel isteine Entlastungskerbe teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangsund teilweise im Kurbelzapfen und/oder eine Kerbe teilweise im Bereich desabgerundeten Übergangsund teilweise im Wellenzapfen angeordnet. Durch die Anordnung derKerbe wird eine effiziente Verringerung der am Übergang zwischen Kurbelzapfenund Kurbelwange bzw. zwischen Wellenzapfen und Kurbelwange auftretenden Spannungskonzentrationenerreicht. Die Kurbelwelle kann damit auch bei höheren Leistungen kleiner dimensioniertwerden, ohne dass hierzu weitere festigkeitssteigernde Maßnahmennötig wären. Diesist besonders günstigbei großenVerbrennungsmotoren, wie zum Beispiel stationären Gasmotoren zum Antriebvon Generatoren und dergleichen. Die Maßnahme der Entlastungskerbekann günstigmit der Idee der Laserpunkte kombiniert werden, indem diese zumindestbereichsweise in die Entlastungskerbe hineinreichen.
    [0013] WeitereEinzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sichaus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
    [0014] 1 eine schematische Seitenansichteines Teils einer Kurbelwelle,
    [0015] 2 eine schematische Vorderansichtder Kurbelwelle,
    [0016] 3 eine vergrößerte Seitendetailansicht derKurbelwelle,
    [0017] 4 eine schematische Darstellungdes gehärtetenBereichs,
    [0018] 5 eine schematische Darstellungeiner optionalen Entlastungskerbe, und
    [0019] 6 eine schematische Anordnungder Härtepunktezur Definition von Abstand s und Ausdehnung d.
    [0020] In 1 ist ein Abschnitt einerKurbelwelle mit einem Kurbelzapfen 1, einer Kurbelwange 2 und einemWellenzapfen 5 mit gedachter Drehachse 6 dargestellt.Zwischen Kurbelzapfen 1 und Kurbelwange 2 befindetsich ein abgerundeter Übergang 3. Entsprechendist ein abgerundeter Übergang 3' zwischen demWellenzapfen 5 und der Kurbelwange 2 angeordnet.In einem Bereich des abgerundeten Übergangs 3 bzw. 3' befinden sichdie gehärtetenBereiche 4 bzw. 4'.Das Grundmaterial besteht aus einem härtbaren Stahl.
    [0021] In 2 ist eine Vorderansichtder Kurbelwelle mit einem Wellenzapfen 5, einer Kurbelwange 2 undeinem gehärtetemBereich 4 dargestellt. per Winkelsektor α liegt symmetrischzur Achse 2a der Wange 2. Nur innerhalb des zurWange 2 weisenden Winkelsektors α erfolgt eine Härtung. DerWinkelsektor α liegtin einem Bereich zwischen 30° und150°, vorzugsweisein einem Bereich zwischen 60° und 120°.
    [0022] In 3 ist eine vergrößerte Darstellungder Seitenansicht aus 1 mitKurbelwange 2, Wellenzapfen 5, gedachter Drehachse 6 derKurbelwelle ersichtlich. Der gehärteteTeilbereich 4 ist zumindest teilweise, vorzugsweise imWesentlichen ausschließlich,im abgerundeten Übergangsbereich 3' angeordnet.
    [0023] In 4 ist eine schematischeAnordnung der Härtepunktein einem gehärtetenBereich 4 ersichtlich. Der Rand des zu härtendenBereiches 4 weist in einer ebenen Abwicklung einen im Wesentlichenpolygonalen oder ellipsenförmigenVerlauf auf. Das Verhältnisvon Ausdehnung d eines gehärteten Teilbereicheszum Abstand s des nächstliegenden Teilbereichesdefinierte Dichte d/s liegt fürzumindest einen Teil des zu härtendenBereiches 4, vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche, zwischen0,1 mm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2,0 mm. Dieals Verhältnisvon Ausdehnung d eines gehärtetenTeilbereiches zum Abstand s des nächstliegenden Teilbereichesdefinierte Dichte d/s liegt fürzumindest einen Teil des zu härtendenBereiches 4, vorzugsweise für im Wesentlichen alle gehärteten Teilbereiche,in der Mitte des zu härtendenBereiches 4 zwischen 1,0 mm und 7 mm, vorzugsweise bei5,0 mm und nimmt nach außenbis auf einen Wert von 0,05 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise bis 0,1mm hin, kontinuierlich ab.
    [0024] 5 zeigt eine Ansicht imBereich der optionalen Kerbe 8, die teilweise im Bereichdes abgerundeten Übergangs 3 undteilweise im Kurbelzapfen 1 und/oder eine Kerbe 8 teilweiseim Bereich des abgerundeten Übergangs 3' und teilweiseim Wellenzapfen 5 angeordnet ist. Die Kerbe 8 istauf der zur gedachten Drehachse 6 der Kurbelwelle (nachinnen) zeigenden Seite im Kurbelzapfen 1 angeordnet. Die Kerbe 8 weistbevorzugt in einem gedachten Schnitt durch die Kurbelwange 2 unddem Kurbelzapfen 1, vorzugsweise im Bereich der größten Tiefeder Kerbe 8, im Wesentlichen die Form eines Kreisbogensegmentes 7 auf.Der Radius 9 des Kreisbogensegmentes 7 ist günstigerweisegrößer alsder Radius 11 des abgerundeten Überganges 3. Die Entfernung 10 des Mittelpunktesdes Kreisbogensegmentes 7 von der Kurbelwange 2 istgünstigerweisekleiner oder gleich der Summe des Radius 11 des abgerundeten Überganges 3 unddes halben Radius 9 des Kreisbogensegmentes 7.Durch die teilweise den abgerundeten Übergang 3 und/oder 3' überdeckendeAnordnung der Kerbe 8 befindet sich diese nahe genug amkritischen Übergangsradius,sodass durch sie die Oberflächelokal vergrößert wirdund Dehnungen übernommenwerden können.Durch diese Maßnahme wirdder Kraftfluss verbessert, die lokalen Spannungen werden reduziert,ahne dass dies eine funktionelle Änderung bzw. Beeinträchtigungder Kurbelwelle nach sich ziehen würde.
    [0025] In 6 ist eine schematischeAnordnung der Härtepunktedargestellt. Dabei ist die Ausdehnung d die größte Querabmessung eines vorzugsweisenkonvexen Teilbereiches („Härtepunktes"). Abstand s istder Abstand eines bestimmten Härtepunkteszum nächstliegendenHärtepunkt.
    [0026] Anschließend wirdnoch darauf hingewiesen, dass günstigerweisean jedem abgerundeten Übergang 3, 3' der Kurbelwelleein zu härtenderBereich 4, 4' angeordnetist.
    [0027] DieErfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können zusätzlich andereHärteverfahren,wie Rollieren, Hämmernund/oder Kugelstrahlen eingesetzt werden. Natürlich können auch andere Werkstücke alsKurbelwellen gehärtetwerden.
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] Werkstück,insbesondere Kurbelwelle, dessen Oberfläche in einem zu härtendenBereich mehrere voneinander beabstandete, gehärtete, vorzugsweise lasergehärtete Teilbereicheaufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d)der gehärteten,vorzugsweise im Wesentlichen punktförmigen Teilbereiche über denzu härtendenBereich variiert.
    [2] Werkstücknach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s) dergehärteten,vorzugsweise im Wesentlichen punktförmigen Teilbereiche über denzu härtendenBereich variiert.
    [3] Werkstücknach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verhältnis vonAusdehnung (d) eines gehärtetenTeilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbereichesdefinierte Dichte d/s fürzumindest einen Teil des zu härtendenBereiches, vorzugsweise fürim Wesentlichen alle gehärtetenTeilbereiche, zwischen 0,1 und 5,0 liegt.
    [4] Werkstücknach einem der Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verhältnis von Ausdehnung(d) eines gehärtetenTeilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbereichesdefinierte Dichte d/s fürzumindest einen Teil des zu härtendenBereiches, vorzugsweise fürim Wesentlichen alle gehärtetenTeilbereiche, zum Rand des zu härtendenBereiches hin abnimmt.
    [5] Werkstücknach einem der Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereichezum Rand hin abnimmt.
    [6] Werkstücknach einem der Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (d) der gehärteten Teilbereichezwischen 0,1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2,0 mm liegt.
    [7] Werkstücknach einem der Ansprüche1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des zu härtendenBereiches in einer ebenen Abwicklung einen im Wesentlichen polygonalenoder ellipsenförmigen Verlaufaufweist.
    [8] Kurbelwelle, mit mindestens einem Zapfen und mindestenseiner Wange und mit einem abgerundeten Übergangsbereich zwischen Zapfenund Wange, nach einem der Ansprüche1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Teilbereiche zumindest teilweise,vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich, im abgerundeten Übergangsbereich(3, 3')angeordnet sind.
    [9] Kurbelwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die als Verhältnisvon Ausdehnung (d) eines gehärtetenTeilbereiches zum Abstand (s) des nächstliegenden Teilbereichesdefinierte Dichte d/s fürzumindest einen Teil des zu härtendenBereiches, vorzugsweise fürim Wesentlichen alle gehärtetenTeilbereiche, in der Mitte des zu härtenden Bereichs zwischen 1und 7, vorzugsweise bei 5,0, liegt und nach außen bis auf einen Wert von0,05 bis 3, vorzugsweise bis 0,1 hin, kontinuierlich abnimmt.
    [10] Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,dass nur innerhalb eines zur Wange (2) weisenden Winkelsektors α eine Härtung erfolgt.
    [11] Kurbelwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass sich der Winkelsektor α ineinem Bereich zwischen 30° und150°, vorzugsweisein einem Bereich zwischen 60° und120° liegt.
    [12] Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,dass der Winkelsektor α symmetrischzur Achse (2a) der Wange (2) liegt.
    [13] Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass eine Entlastungskerbe (8) teilweise im Bereich desabgerundeten Übergangs(3, 3')und teilweise im Kurbelzapfen (1) und/oder eine Entlastungskerbe(8) teilweise im Bereich des abgerundeten Übergangs(3, 3')und teilweise im Wellenzapfen (5) angeordnet ist.
    [14] Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet,dass das Grundmaterial aus einem härtbaren Stahl besteht.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-04-07| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2007-05-24| 8364| No opposition during term of opposition|
    2008-03-27| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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