DE1577100A1

DE1577100A1 - Process for the production of crankshafts from parts

Info

Publication number: DE1577100A1
Application number: DE19661577100
Authority: DE
Inventors: Pope Joseph Albert; Norman Fletcher
Original assignee: Mirrlees National Ltd
Current assignee: Mirrlees National Ltd
Priority date: 1965-12-11
Filing date: 1966-12-09
Publication date: 1970-04-16
Also published as: FR1504991A; GB1118350A; CH461185A

Description

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.Process for the production of crankshafts from parts Positioning of crankshafts from sections and is particularly, but not exclusively, applicable to relatively large crankshafts, such as those used in medium-speed diesel engines that produce at least about 300 P $ per cylinder. In particular, the invention relates to crankshafts whose crank pins and shaft shafts overlap, or in which the circumferential circles of the i, u-sections of the crank pin and the shaft shaft overlap as viewed from the stub shaft.

Die Kurbelwellen werden allgemein in folgendende drei große Klassen unterteilt: i,us einem stück geschmiedete Kurbelwellen. The crankshafts are broadly divided into the following three broad classes: One- piece forged crankshafts.

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.For a crankshaft that is made empty from a single forged piece @, it is necessary that the crank journals' and the shaft shafts consist of the same material as the crank webs. Other restrictions this type of design is the high forging costs for large workpieces. With smaller ones Dimensions can be full counterweights to save manufacturing costs may be provided, but counterweights can - and often are - Form a single piece with the crankshaft forged from the solid. There for a construction forged from a "fine piece" -. c only a single one Material can be used, the running surfaces of the crank pin and shaft shafts only a single degree of hardness and thus only a corresponding wear resistance the T-material used and the treatment methods that are available, exhibit. That means that foreign materials can probably be used for small crankshafts used and economically hardened and machined in place will. For large crankshafts, however, foreign materials are at least necessary expensive because of the subsequent local hardening and machining procedures sometimes are too expensive. In addition, such foreign materials, if they are not hardened, not always the best properties for the corresponding `file the crank own wave.

b. ) Lusamcnengebaute Kurbelwellen. b. ) Custom built crankshafts.

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.These are grounded by shrinking individual crank webs onto individual ones 1 crank pin and Uelle shafts manufactured. They are used almost exclusively for large, low-speed diesel engines used. such crankshafts can be different Have materials for the crank webs and the crank pins. But you leave not an overlap of the crankpin and shaft diameter too, like sle for example to achieve a greater rigidity of the crankshaft is required.

c.) Halbfertige Kurbelwellen. c.) Semi-finished crankshafts.

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.These are made by shrinking crank pins into Mounting points, which are in the crank webs of the one-piece forged crank web and; lead units are provided. Such crankshafts limit the choice des: Jerkstoffesi and ordinary. close the 'ge # -etiseitie intersection four cuff plugs and jells. scrtzftdurclmiesser. It is also still with inner ones To calculate residual stresses caused by hoof clenching. in the Ideally, a crankshaft should have a shape that can be manufactured cheaply can, without having to use difficult forging molds, the expensive Assume forging dies. In addition, the crank webs had to have a sufficient one Have extensibility, while for the crank pins and shaft shafts in addition In addition to the elasticity, a sufficient surface hardness is required.

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.If the specified materials are available, it is not difficult to meet the needs or conditions of the forging work at major Crankshafts to meet, especially if you still have the possibility of overlapping Complies with the crank pin and shaft shaft diameter. The usual welding processes are, as everyone knows, involved in the design and construction of such crankshafts Has experience in the production of assembled or semi-finished crankshafts not applicable. The invention is based on the application of the recently developed Electron beam butt welding to produce an assembled crankshaft in compliance with the requirements and conditions described above. That Process for the production of crankshafts according to the invention from individual parts, which have mutually matching surfaces, is characterized in that the mutually matching surfaces by moving a straight line sideways along an assumed The baseline was created and after the individual sections have been joined together electronic welding beam corresponding to the sideways movement of the straight line surfaces to be connected.

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.The drawings give various embodiments for an assembled Crankshaft according to the invention, for example, again, namely show: j Fig. 1 an elevation with partial section through part of a multi-cranked crankshaft. FIGS. 2, 3 and 4 are partial views with modifications of those shown in FIG Construction.

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.Fig. S is another construction that is possible when do not overlap the diameters of the crank pins and the shaft shafts. Fig. Fig. 6 shows another modified construction. Figs. 7-10 show others Constructions according to the invention in which the by a 5eitwärtsbewegung a Straight surfaces formed and welded together parallel to the center lines the crank pins or shaft shafts run.

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.As can be seen from Figure 1, the crankshaft is according to the invention an assembly of several forgings, each of which consists of a crank web 10 consists, on one side of which there is a half shaft shaft 11 and on detranderer Side half a crank pin 12 is located. It should be noted that the Overlap the diameter of the crank pin and the shaft shaft. The different Forgings are assembled in a device so that half the shaft shafts and the half crank pins butt against each other, and this structure after insertion Can be rotated into a high vacuum chamber while a welding electron beam is applied in such a way that the butt-butted surfaces are welded together will. The crank pins and the shaft shafts have concentric bores reproduced, like these required for electron beam welding and can be used to guide the forgings in the device, the end faces of these parts being pre-machined so that they are suitable for this weld are prepared with a radially directed welding electron beam.

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.Instead of turning the electron beam welding machine, the Crankshaft assembly are rotated. It can also use the electron beam welding machine and the crankshaft assembly rotated to achieve the required relative movement will. As can be seen from the modification in FIG. 2, the crank webs 14 only equipped with short attachment points 15 and 16 so that welding surfaces for the Ends of the shaft shafts 15a and the crank pin 16a are created. Through this it is possible that the shaft shafts and the crank pin from one of the crank webs different material are made, so that all parts can be produced from materials that are suitable for the requirements placed on them. The parts are through welded together the radially directed welding electron beam. ' As 3, the crank webs 17 are equipped with attachment points 18 and 19, which are formed within the material thickness of the crank web and which for the Receiving the ends of the shaft shafts 20 and the crank pin 21 are used and the still Form unfinished supplementary parts for the aforementioned crank shafts.

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.As can be seen from Figure 4, the shaft shafts 22 and the crank pins 23 arranged so that they are attached to the end faces of the crank webs 24 without any training from starting points.

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.i As can be seen even more clearly from Figures 3 and 4, the Shaft shafts and the crank webs originally completely separated from each other before welding separated. As FIG. 5 shows, the diameters of the crank pins overlap and the shaft shafts not, so that the sides of the crank webs 25 are drilled can so that they the ends of the prefabricated shaft shafts 26 and crank pins 27 for the purpose of electron welding of the cylindrical, mutually adjacent Can accommodate areas wherein the electron beam is directed axially and is moved so that the area of the cylindrical surfaces is coated.

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.As can be seen from FIG. 6, the types according to FIG. 2 and 5 combined, one end of a shaft shaft 28 in a bore of a Crank web 29 is shown attached and the other end as a mating surface for a Attachment point 30 of the adjacent crank web 31 is used. This procedure can be used for making a flange on the end of the crankshaft instead of the usual one $ diving work can be used. Both the radially and axially directed electron beam welds can be used in this exemplary embodiment, as can be clearly seen. How out the partial figures 7 and 8 can be seen, is the end of the crank pin or the shaft shaft32 at the point 33 provided with a toothing and. forms the complement to. one of her Similar edge training in a hole in the crank arm 34. The electron beam is caused here to move along the toothing, being along the rectilinear and parallel to the center line of the Crank pin facing surface that extends across the undulating toothing line to the shaft axis.

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.As can be seen from FIGS. 9 and 10, the abutting one another becomes butt Opposite surfaces of the crank pin 35 and the attachment point 36 of the crank web 37 with Equipped to the end continuous teeth. Here it is caused that the welding electron beam, while being directed radially towards the crank pin 35, at the junction runs along these surfaces, being the straight, radial part of this toothing follows. In a modification that is not shown, the can be welded together Surfaces can be designed as mating surfaces as long as there is only one actual access for the action of the electron beam is available. This form would be a self-centering enable, which could be advantageous In a further, - modified version can be a thin insert or a coating from another rietall @ K-i: e for example Nickel, to be introduced between the joint surfaces and by the welding electron beam melted so that in a known manner an 'acceptable metallurgical structure is created in the melting area. That would be particular then applicable if there is any possibility of metallurgical incompatibility is given, for example, between the metals of the two surfaces themselves, and Of course, the metal should be the insert or the over-. added be compatible with the metals of both surfaces.

Es sei noch bemerkt, daß in den beschriebenen Konstruktionsbeispielen nach der Zeichnung die Kennzeichnung der Schweißung übertrieben dargestellt ist.It should also be noted that in the construction examples described according to the drawing, the marking of the weld is shown exaggerated.

Claims

Patent claims 1. A method for producing crankshafts - from individual parts that have matching surfaces, characterized in that the matching surfaces are created by moving a straight line along an assumed base line and an electronic one after the individual parts have been joined Welding beam sweeps over the surfaces to be connected according to the upward movement of the straight line.

2. Procedure according to Claim 1, characterized by the introduction of one made of a different metal Intermediate layer like nickel between the opposing surfaces.

3. The method according to claim 1, characterized by a baseline in a single direction.

5. The method according to claim 1, characterized in that at least some of the welded together opposing surfaces have a base line which is concentric to the center line of a shaft shaft. 6. The method as claimed in claim 1, characterized in that at least some of the counter-surfaces welded together have a base line which is inclined with respect to the center line of the crank pin. 7. The method according to claim 1, characterized by a plurality of prefabricated crankshaft parts, each of which contains a crank arm part and at least a part of two shaft shafts which are arranged on opposite sides at each end of the crank arm. 8. The method according to claim 1, characterized by a plurality of prefabricated crankshaft parts, each of which contains a crank web part and complementary opposite parts of two shaft shafts, which on. the opposite sides of each end of the crankshaft web are arranged. 9. The method according to claim 1, characterized in that the shafts - and the cheek parts of the crankshaft represent separate parts before welding. 10. The method according to claim 1, characterized in that the base line for the welds of the crank pin extends in the radial direction and that for the shaft shaft is directed axially. 11. The method according to claim 1, characterized in that the mating surfaces extend undulating in a direction other than that of the base line.