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Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen aus Teilstücker
Stellung von Kurbelwellen aus Teilstücken und ist Insbesondere, aber nicht ausschließlichyauf
verhältnismäßig große Kurbelwellen anwendbar, wie sie beispielsweise in Dieselmotoren
mittlerer Drehzahl verwendet werden, die je Zylindei mindestens etwa 300 P$ leisten.
Vor allem bezieht sich die Erfindung auf Kurbelwellen, deren Kurbelzapfen und Wellenschäfte
sich überschneiden, bzw. bei denen sich die Umfangs kreise der i,uerschnitte der
Kurbelzapfen und der Wellenschät te vom Wellenstumpf hergesehen überdecken.
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Die Kurbelwellen werden allgemein in folgendende drei große Klassen
unterteilt: i,us einem stück geschmiedete Kurbelwellen.
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Für eine Kurbelwelle, die aus einem einzigen 5chmiedestüc@ leergestelltFwird,
ist es erforderlich, daß die Kurbelzapfer'
und die Wellenschäfte
aus dem gleichen Werkstoff wie die Kurbelwangen bestehen. Weitere Einschränkungen
dieser Ausführungsart sind die hohen Schmiedekosten für große Werkstücke. Bei kleineren
Abmessungen können vollständige Gegengewichte zur Einsparung von Fertigungskosten
mit vorgesehen werden, aber Gegengewichte können - und häufig werden sie es auch
- ein einziges Stück mit der aus dem Vollen geschmiedeten Kurbelwelle bilden. Da
für eine aus einem .dlen Stüc'-.c geschmiedeten Konstruktion auch nur ein einziger
Werkstoff verwendet werden kann, können die Laufflächen der Kurbelzapfen und Wellensc-%äfte
nur einen einzigen Härtegrad und damit auch nur eine Verschleißfestigkeit entsprechend
dem verwendeten T-lerkstoff und den Behandlungsverfahren, die zur Verfügung stehen,
aufweisen. Das heißt, für kleine Kurbelwellen können wohl ausländische Werkstoffe
benutzt und an Ort und Stelle in wirtschaftlicher Weise gehärtet und bearbeitet
werden. Für große Kurbelwellen sind ausländische Werkstoffe jedoch zum mindesten
teuer, da manchmal die anschließenden Verfahren für die örtliche Iiärtung und Bearbeitung
zu aufwendig sind. Dazu kommt, daß solche ausländischen Werkstoffe, wenn sie nicht
gehärtet sind, nicht immer die besten Eigenschaften für die entsprechenden `feile
der Kurbel
welle besitzen.
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b. ) Lusamcnengebaute Kurbelwellen.
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Die'se .erden durch Aufschrumpfunfi einzelner Kurbelwangen auf einzelne
1urbelzapfen und Uellenschäfte gefertigt. Sie werden fast ausschließlich für große,
langsamlaufende Diesel.-motoren verwendet. solche Kurbelwellen können verschiedene
Werkstoffe für die Kurbelwangen und die Kurbelzapfen aufweisen. Sie lassen aber
nicht eine Überschneidunz der Kurbelzapfen- und Wellenschaftdurchmesser zu, wie
sle beispielsweise für die Erzielung einer größeren bteifigkeit der Kurbelwelle
erforderlich ist.
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c.) Halbfertige Kurbelwellen.
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Diese werden hergestellt durch Einschrumpfung von Kurbelzapfen in
Aufnahmestellen, die in den Kurbelwangen der aus einem Stück geschmiedeten Kurbelwangen-
und ;lellenschafteinheiten vorgesehen sind. Solche Kurbelwellen begrenzen die Auswahl
des :Jerkstoffesi und gewöhnlich. schließen sie die' ge#-etiseitie Gberschneidung
vier hurbelzepfen- und .gellen. scrtzftdurclmiesser aus. Es ist auch noch mit inneren
Eigenspannungen zu rechnen, die von dem hufsclirumpfungsverfaliren herr@ihren.
Im
Ideälfalle müßte eine Kurbelwelle eine Form besitzen, die billig hergestellt werden
kann, ohne daß schwierige Schmiedeformen verwendet werden müssen, die kostspielige
Schmiedegesenke voraussetzen. Zusätzlich mtißten die Kurbelwangen ein ausreichendes
Dehnungsvermögen besitzen, während für die Kurbelzapfen und Wellenschäfte zusätzlich
zu dem Dehnungsvermögen noch eine ausreichende Oberflächenhärte zu verlangen ist.
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Wenn die angegebenen Uerkstoffe zur Verfügung stehen, ist es nicht
schwierig, die Erfordernisse oder Bedingungen für die Schmiedearbeiten bei größeren
Kurbelwellen zu erfüllen, insbesondere wenn man noch die Möglichkeit der sich überschneidenden
Kurbelzapfen und Wellenschaftdurchmesser einhält. Die üblichen Schweißverfahren
sind, wie jedaneinleuchtet, der in der Konstruktion und dem Bau solcher Kurbelwellen
Erfahrungen besitzt, für die Fertigung von zusammengebauten oder halbfertigen Kurbelwellen
nicht anwendbar. Die Erfindung beruht auf der Anwendung der kürzlich entwickelten
Elektronenstrahlstumpfschweißung zur Herstellung einer zusammengebauten Kurbelwelle
unter Einhaltung der oben beschriebenen Erfordernisse und Bedingungen.
Das
Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen nach der Erfindung aus einzelnen Teilstücken,
die aneinander passende Flächen aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander
passenden Flächen durch Seitwärtsbewegung einer Geraden entlang einer angenommenen
Grundlinie entstanden sind und nach dem Zusammenfügen der einzelnen Teilstücke ein
elek-I tronischer Schweißstrahl entsprechend der 5eitwärtsbewegung der Geraden die
miteinander zu verbindenden Flächen überstreicht.
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Die Zeichnungen geben verschiedene Ausführungsbeispiele für eine zusammengebaute
Kurbelwelle nach der Erfindung beispielsweise wieder, und zwar zeigen: j Fig. 1
einen Aufriß mit teilweisem Schnitt durch einen Teil einer mehrfach gekröpften Kurbelwelle.
Fig. 2, 3 und 4 sind Teilansichten mit Abänderungen der in der Figur 1 gezeigten
Bauweise.
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Fig. S ist eine andere Konstruktion, die dann möglich ist, wenn sich
die Durchmesser der Kurbelzapfen und der Wellenschäfte nicht überschneiden.
Fig.
6 stellt eine weitere, abgeänderte Konstruktion dar. Fig. 7 bis 10 zeigen andere
Konstruktionen nach der Erfindung in denen die durch eine 5eitwärtsbewegung einer
Geraden gebildeten und zusammengeschweißten Flächen parallel zu den Mittellinien
der Kurbelzapfen oder Wellenschäften verlaufen.
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Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist die Kurbelwelle nach der Erfindung
ein Zusammenbau von mehreren Schmiedestücken, von denen jedes aus einer Kurbelwange
10 besteht, auf deren einer Seite sich ein halber Wellenschaft 11 und auf detranderer
Seite ein halber Kurbelzapfen 12 befindet. Es sei dazu bemerkt, daß sich hier die
Durchmesser der Kurbelzapfen und der Wellenschäfte überschneiden. Die verschiedenen
Schmiedestücke werden in einer Vorrichtung so zusammengesetzt, daß die halben Wellenschäfte
und die halben Kurbelzapfen stumpf aneinanderstoßen,u.nd dieser Aufbau nach Einbringung
in eine Hochvakuumkammer gedreht werden kann, während ein Schweißelektronenstrahl
so aufgebracht wird, da ß-die stumpf aneinanderstoßenden Flächen zusammengeschweißt
werden. Die Kurbelzapfen und die Wellenschäfte sind mit konzentrischen Bohrungen
wiedergegeben,
wie diese für die Elektronenstrahlschweißung erforderlich
sind und zur Führung der Schmiedestücke in der Vorrichtung benutzt werden können,
wobei die Stirnflächen dieser Teile so vorbearbeitet werden, daß sie für diese Schweißung
mit radial gerichtetem Schweißelektronenstrahl vorbereitet sind.
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Statt die Elektronenstrahlschweißmaschine zu drehen, kann auch der
Kurbelwellenaufbau gedreht werden. Es können auch die Elektronenstrahlschweißmaschine
und der Kurbelwellenaufbau zweclg Erzielung der erforderlichen Relativbewegung gedreht
werden. _ Wie aus der Abänderung in Fig. 2-hervorgeht, werden die Kurbelwangen 14
nur mit kurzen Ansatzstellen 15 und'16 ausgestattet, damit Schweißflächen für die
Enden der Wellenschäfte 15a und der Kurbelzapfen 16a geschaffen werden. Hierdurch
wird es möglich, daß die Wellenschäfte und die Kurbelzapfen aus einem von den Kurbelwangen
verschiedenen Werkstoff gefertigt werden, so daß alle Teile aus Werkstoffen herstellbar
sind, die für die an sie gestellten Anforderungen passen. Die Teile werden durch
den radial gerichteten Schweißelektronenstrahl zusammengeschweißt. '
Wie
aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Kurbelwangen 17 mit Ansatzstellen 18 und 19 ausgestattet,
die innerhalb der Materialdicke der Kurbelwange ausgebildet sind und die für die
Aufnahme der Endender Wellenschäfte 20 und der Kurbelzapfen 21 dienen und die noch
unfertigen Ergänzungsteile zu den vorgenannten Kurbelschäften bilden.
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Wie aus Figur 4 hervorgeht, werden die Wellenschäfte 22 und die Kurbelzapfen
23 so angeordnet, daß sie an die Stirnflächen der Kurbelwangen 24 ohne eine Ausbildung
von Ansatz-' stellen anstoßen.
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i Wie noch deutlicher aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, sind die
Wellenschäfte und die Kurbelwangen ursprünglich vor dem Schweißen vollständig voneinander
getrennt. Wie die Figur 5 zeigt, überschneiden sich die Durchmesser der Kurbelzapfen
und der Wellenschäfte nicht, so daß die Seiten der Kurbelwangen 25 gebohrt werden
können, damit sie die Enden der vorgefertigten Wellenschäfte 26 und Kurbelzapfen
27 zum Zwecke der Elektronenschweißung der zylinderförmigen, aneinander liegenden
Flächen aufnehmen können
wobei der Elektronenstrahl axial gerichtet
und so bewegt wird, daß der Bereich der zylinderförmigen Flächen bestrichen wird.
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Wie aus der Figur 6 zu erkennen ist, sind hier die Bauarten nach Fig.
2 und 5 kombiniert, wobei ein Ende eines Wellenschaftes 28 in einer Bohrung einer
Kurbelwange 29 angebracht gezeigt ist und das andere Ende als Gegenfläche für eine
Ansatzstelle 30 der angrenzenden Kurbelwange 31 dient. Dieses Verfahren kann für
die Herstellung eines Flansches an dem Ende der Kurbelwelle anstelle der üblichen
$taucharbeiten benutzt werden. Sowohl die radial als auch axial gerichteten Elektronenstrahlschweißungen
sind bei diesem Ausführungsbeispiel, wie klar zu erkennen ist, anwendbar. Wie aus
den Teilfiguren 7 und 8 hervorgeht, ist das Ende des Kurbelzapfens oder des Wellenschaftes32
an der Stelle 33 mit einer Verzahnung versehen und. bildet die Ergänzung zu. einerihr
ähnlichen Randausbildung in einer Bohrung der Kurbelwange 34. Der Elektronenstrahl
wird hier veranlaßt, sich entlang der Verzahnung zu bewegen, wobei er längs der
geradlinig verlaufenden und parallel zu der Mittellinie des
Kurbelzapfens
gerichteten Fläche verläuft, die sich an die wellenförmige Verzahnungslinie quer
zur Wellenachse anschließt.
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Wie aus den Figuren 9 und 10 hervorgeht, werden die stumpf aneinanderstoßenden
Gegenflächen des Kurbelzapfens 35 und der Ansatzstelle 36 der Kurbelwange 37 mit
bis zum Ende durchlaufenden Zähnen ausgerüstet. Hier wird veranlaßt, daß der Schweißelektronenstrahl,
während er radial zu dem Kurbelzapfen 35 gerichtet wird, an der Verbindungsstelle
dieser Flächen entlangläuft, wobei er dem geradlinigen, radialen Teil dieser Verzahnung
folgt. In einer nicht dargestellten Abänderung können die zusammenzuschweißenden
Flächen als Gegenflächen ausgebildet werden, solange nur ein tatsächlicher Zugang
für die Einwirkung des Elektronenstrahles vorhanden ist. Diese Form würde eine Selbstzentrierung
ermöglichen, die von Vorteil sein könnte In einer weiteren,- abgeänderten Ausführung
kann eine, dünne Beilage oder ein Überzug aus einem anderen rietall@ K-i:e beispielsweise
Nickel, zwischen die Verbindungsflächen eingeführt werden und durch den Schweißelektronenstrahl
geschmolzen
werden, so daß in bekannter Weise eine'annehmbare
metallurgische Struktur in dem Schmelzbereich geschaffen wird. Das wäre insbesondere
dann anwendbar, wenn irgendeine Möglichkeit zu einer metallurgischen Unverträglichkeit
gegeben ist, beispielsweise zwischen den Metallen der beiden Flächen selbst, und
natürlich müßte das Metall der dazwischen befindlichen Beilage oder des-Über-. zuges
mit den Metallen beider Flächen verträglich sein.
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Es sei noch bemerkt, daß in den beschriebenen Konstruktionsbeispielen
nach der Zeichnung die Kennzeichnung der Schweißung übertrieben dargestellt ist.