EnResKu - Energie- und ressourceneffiziente Nachbehandlung von Kurbelwellen im Automobilbau

Im Antriebsstrang moderner diesel- und benzinbetriebener Automobile sind wesentliche Komponenten wie Kurbelwellen, Antriebswellen oder Ventile, schon heute höchsten dynamischen Belastungen ausgesetzt. Zukünftig werden diese Belastungen noch erheblich steigen, um die steten Forderungen nach einem verbesserten Wirkungsgrad erfüllen zu können.

Die Analyse von Prozessketten zur Herstellung wellenförmiger, dynamisch hochbelasteter Bauteile im Automobilbau zeigt, dass in der Regel nach der spanenden Fertigung der Grund- und Ergänzungsformelemente, sich ein oder mehrere Prozessschritte zur Einstellung der erforderlichen Fertigteileigenschaften anschließen. Dies betrifft neben dem Einsatz geeigneter Verfahren zur Erzeugung der geforderten Oberflächenrauheit, ebenso gezielte Maßnahmen zur Steigerung der Dauerfestigkeit in besonders hoch belasteten und somit kritischen Bauteilbereichen. Konventionelle Nachbehandlungsverfahren sind dabei das Festwalzen (Rollieren), das Härten oder aber das Strahlen. Diese Nachbehandlungsvarianten sind jedoch durch verfahrensspezifische Nachteile, wie unter anderem eine geringe Reproduzierbarkeit, eine häufig kostenintensive Anlagentechnik oder aber extrem hohe Bearbeitungskräfte, gekennzeichnet.

Zur Beseitigung verfahrensspezifischer Nachteile bei der Nachbehandlung dynamisch hochbelasteter Bauteile – vorrangig mit Blick auf den Automobilbau – sollte im Rahmen des Projektvorhabens die innovative Ultraschallnachbehandlung untersucht und dabei die Voraussetzungen für eine spätere industrielle Nutzung geschaffen werden. Dieses wirkenergieunterstützte Nachbehandlungsverfahren ist vorrangig dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung geringer Prozesskräfte (< 200 N), ohne den Einsatz von Hilfs- bzw. Zusatzstoffen sowie einer hohen Reproduzierbarkeit hinsichtlich des Arbeitsergebnisses, sowohl ein Glätt- als auch ein Verfestigungseffekt an den nachbehandelten Bauteilen eintritt. Nachzuweisen war erstmals die positive Beeinflussung der Dauerfestigkeit an realen Bauteilen bzw. Demonstratoren.

Mit Blick auf den Typenvertreter PKW-Kurbelwelle, erfolgten im Projekt zielgerichtete Untersuchungen zur Ultraschallnachbehandlung des kritischen Bauteilbereiches „Hohlkehle“. Dieser Übergang zwischen Kurbelwellenwange und Lagersitz, stellt durch die Überlagerung von Biege- und Torsionsbelastung, einen extrem rissgefährdeten Bauteilbereich dar.

In umfangreichen experimentellen Versuchen konnte der Nachweis erbracht werden, dass die Ultraschallnachbehandlung an typischen Kurbelwellenwerkstoffen (Stahl und Gusseisen) die Überführung vorbearbeitungsbedingter Zugeigenspannungen in Druckeigenspannungen ermöglicht.

Ausgehend von diesen Ergebnissen, erfolgten Tests zur Bestimmung der Auswirkungen auf die Lebensdauer von Kurbelwellen. Dabei kamen Probekörper zum Einsatz, an denen das Geometrieelement „Hohlkehle“ nachempfunden und anforderungsgerecht nachbehandelt wurde. Die Probekörper wurden daraufhin im Zeitfestigkeitsbereich einer wechselnden Torsionsbelastung unterworfen.

Im Ergebnis wurde – unabhängig von der Vielzahl der im Rahmen des Projektes getesteten Ultraschallnachbehandlungsparameter – immer eine Anhebung der möglichen Lastwechselzahl bis zum Probenbruch bzw. Anriss realisiert. Die aussichtsreichste Nachbehandlungsvariante ermöglichte im Mittel sogar einen Zuwachs der möglichen Lastwechselzahl um 163 % gegenüber der unbehandelten, lediglich spanend vorbearbeiteten, Probenvariante.

Basierend auf diesen grundlegenden Projektergebnissen, können in Zukunft verschiedene, industrielle Prozesse der Teilefertigung auf den Anwendungsnutzen der innovativen, ultraschallunterstützten Nachbehandlung hin überprüft werden. Aktuell wird eine weiterführende Fördermaßnahme, zur Vertiefung bisheriger Erkenntnisse und zur Überführung der Ultraschallnachbehandlung in die betriebliche Praxis, durch das IfP initiiert.