Fallbeispiel: Entspannte Welle

Entspannte Welle aus Gusseisen mit Kugelgraphit EN-GJS500-7 für Auswuchtmaschinen für Kraftfahrzeuge

Konstruktionsmethoden und -techniken einer entspannten Welle aus Gusseisen mit Kugelgraphit

In unserem fünften Fallbeispiel beschreiben wir das Projekt einer entspannten Welle aus Gusseisen mit Kugelgraphit EN-GJS500-7 für Auswuchtmaschinen für Kraftfahrzeuge, die in vielen Werkstätten zu finden sind – (Marke Nexion) des Kunden Nexion S.p.a

In welchen Branchen wird die entspannte Welle am meisten genutzt

Kunden, die in der Regel eine entlastete Welle aus aus Gusseisen mit Kugelgraphit für ihre Auswuchtmaschinen benötigen, sind Teil des Industriebereichs „Ausrüstung für Reifendienste und Werkstätten“, die eng mit dem Bereich der Straßen- und Geländefahrzeuge (z. B. für den Reifenwechsel bei LKWs) und den Landwirtschaftssektor (zum Beispiel für den Reifenwechsel bei Traktoren) zusammenarbeiten

Vorteile (qualitativ und quantitativ) von Gusseisen mit Kugelgraphit gegenüber Stahl

-8,3 % Gewicht der Endkomponente

Durch die Neuentwicklung des Bauteils konnte das Gewicht des fertigen Bauteils um fast 10 % reduziert werden.

Minimaler Einfluss auf die Bearbeitbarkeit

Die Net-to-Shape-Planung der Geometrie des Rohteils aus Gusseisen mit Kugelgraphit EN-GJS-500-7 ermöglicht es, die mechanische Bearbeitung durch die Reduzierung der Materialzugabe und der Verwendung eines Kerns auf ein Minimum zu reduzieren.

Reduzierung der Materialverschwendung (-82,3 % Rohlinggewicht)

Durch eine neue Geometrie des Rohlings aus Gusseisen mit Kugelgraphit, die der des bearbeiteten Bauteils sehr nahe kommt, konnte die Materialverschwendung (-82,3 % des Gewicht des Rohlings aus Gusseisen im Vergleich zu Stahl) erheblich reduziert werden, da die zuvor umgesetzte Lösung darin bestand, die Komponente aus einem gewalzten Vollstab aus C40 durch mechanische Bearbeitung herzustellen.

Minderung der Kosten

Weniger mechanische Bearbeitungen verbunden mit weniger Materialverschwendung hat sich auch positiv auf die Senkung der Produktionskosten des fertigen Bauteils ausgewirkt.

Verbesserung der Leistung

Die Lösung in EN-GJS-500-7 erwies sich als weitgehend ausreichend, um C40-Stahl (aus gewalztem Stab) zu ersetzen.

Entwicklung der Anwendung bei Auswuchtmaschinen der Marke Corghi der Nexon-Gruppe

Die entspannte Welle für Auswuchtmaschinen wird speziell für den Bau von Corghi-Auswuchtmaschinen verwendet, Maschinen, die zum Auswuchten von Reifen erforderlich sind, ein grundlegender und notwendiger Vorgang, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug die richtige Haltung auf der Straße hat. Diese Art von entspannter Welle wird verwendet, um die Bewegung vom elektrischen Getriebe auf das auszuwuchtende Rad zu übertragen.

Das zu lösende Problem ist die Lösung aus Gusseisen mit Kugelgraphit GJS „EN-GJS-500-7“

Ziel des Kunden war es, die Leistungsfähigkeit des Bauteils zu verbessern, das zunächst aus einem gewalzten Stahlstab in der Güteklasse C40 hergestellt wurde. Diese technologische Lösung erforderte eine aufwendige mechanische Bearbeitung, um das überschüssige Material zu entfernen, das Durchgangsloch herzustellen und so die Endversion zu erhalten. Das Verfahren bringt eine erhebliche Materialverschwendung und folglich hohe mechanischen Bearbeitungskosten mit sich.

Angesichts dieser Produktionsineffizienzen hatte das Unternehmen Nexion S.p.A. das Erfordernis, den Produktionsprozess zu optimieren, d. h. einen Rohling zu erhalten, der der Form des Endteils des Produkts nach der mechanischen Berarbeitung so ähnlich wie möglich (Net-to-Shape) kam und gleichzeitig über eine ausreichende Zugfestigkeit verfügte, um den auftretenden Belastungen standzuhalten. Bevor der Kunde auf die Lösung aus Grauguss mit Kugelgraphit zurückgriff, hatte der Kunde auch die Möglichkeit geprüft, die Welle aus zwei Stahlteilen herzustellen.

Dank der natürlichen Fähigkeit des Gussstücks aus Gusseisen mit Kugelgraphit, einen formschlüssigen Rohling zu erhalten, und der Möglichkeit, einen Kern zur Herstellung der inneren Durchgangsbohrung zu verwenden, hat sich die Lösung der entspannten Welle aus Gusseinsten mit Kugelgraphit EN-GJS-500-7 als der beste Weg herausgestellt. Auf diese Weise war es möglich, die zur Erzielung der endgültigen Form erforderliche mechanische Bearbeitung zu reduzieren, was einen wichtigen wirtschaftlichen Vorteil für den Kunden brachte.

Die Vorteile der Realisierung einer entspannten Welle aus Gusseisen mit Kugelgraphit

Ausgangsmaterial

Material

Rp0,2

Ermüdungsgrenze
σAG; PS50%

C40 - Gewalzter Stab

260 MPa

530 MPa

156

Die neue Lösung, um das Ziel zu erreichen

Material

Rp0,2

Ermüdungsgrenze
σAG; PS50%

EN-GJS-500-7

320 MPa

500 MPa

170÷230

330

Zug- und Ermüdungsprüfung an Proben, die aus separat gegossenen Probekörpern mit Ø25 mmll erhalten wurden -. Die Ermüdungsgrenze auf glatten Oberflächen (R-1) wurde durch die Prüfung glatter bearbeiteter Probekörper mit Ø6,5 mm mit der Short-Stair-Case-Methode (Auslauf bei 5 MIL Zyklen) ermittelt. In Wirklichkeit hat das Stück eine variable Dicke.

Table comparing the two solutions

Vorherige Lösung

Lösung mit EN-GJS-500-7

Vorteile

Material

C40 - Gewalzter Stab

EN-GJS-500-7

Technologie

Bar

Ein Gussstück im Ganzen

Ausgangsgewicht vor der Bearbeitung

86 Kg

14,88 kg

-82,7 %

Gewicht der Endkomponente nach der mechanischen Bearbeitung

9,326 Kg

28,548 Kg

-8,3 %

Der Kunde hatte folgende Ziele:

Die Produktionskosten des Stahlbauteils (wirtschaftliche Einsparung) zu verringern
Die Materialverschwendung (Material, das im Zuge der mechanischen Bearbeitung entfernt wird) zu verringern
Die gleichen mechanische Leistungen beizubehalten

Um dies zu erreichen, war es von grundlegender Bedeutung, eine technologische Lösung zu finden, die die Mindestleistungen garantiert, die für die Belastungen erforderlich ist, mit denen die entlastete Welle belastet werden kann. Die Lösung aus Gusseisen mit Kugelgraphit EN-GJS-500-7 hat sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften als mehr als ausreichend erwiesen, um diesen Material- und Fertigungstechnologiewechsel durchzuführen.

Konstruktionsmethoden und -techniken im Vergleich zwischen Stahl und Gusseisen

Angesichts der Notwendigkeit, von der vorherigen Lösung aus gewalztem C40-Stahlstab auf die neue Version aus Gusseisen mit Kugelgraphit EN-GJS-500-7 umzustellen, erforderte dieses Projekt für die entspannte Welle eine wichtige gemeinsame Entwicklungsarbeit zwischen dem technischen Büro der Fonderie Zanardi und jenem des Kunden Nexion S.p.A.

Dank der intrinsischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit konnte bereits in der Planungsphase des Rohlings eine Net-to-Shape-Logik umgesetzt werden; Die technische Abteilung von Zanardi Fonderie hat in Zusammenarbeit mit der des Kunden einen Rohling mit einer Morphologie entwickelt, die jener des bearbeiteten Endteils sehr nahe kommt. Dank der hervorragenden „Gießbarkeit“ von Gusseisen mit Kugelgraphit, d. h. die Einfachheit, mit der flüssiges Gusseisen komplexe Formen erhält, ist es möglich, basierend auf dieser Logik zu planen. Dies ermöglicht es, Bearbeitungszugaben zu minimieren und das Material nur dorthin zu „bringen“, wo es benötigt wird, um beispielsweise durch den Einsatz von Kernen all jene Bereiche zu entladen, an denen das Material nicht benötigt wird. In der Tat ermöglichte die Verwendung eines Kerns die Herstellung des Durchgangslochs, wodurch die mechanischen Bearbeitungsvorgänge nur auf jene Bereiche beschränkt werden konnten, in denen diese unbedingt erforderlich sind.

Wenn man von einem vollen Stahlstab ausgeht, ist es aufgrund der Natur dieser Technologie notwendig, von einem (vollen) Stahlzylinder auszugehen und eine große Menge Material zu entfernen, um die endgültige Geometrie des Bauteils zu erhalten, die in unserem Fall auch die Realisierung durch Spanabnahme des Durchgangslochs enthielt. All dies ist mit erheblichen Bearbeitungskosten, längeren Zeiten und gleichzeitig der Verschwendung einer großen Menge an nicht wiederverwertbarem Material verbunden.