Prüfung von Kurbelwellen – Mechanische, thermische und zerstörungsfreie Bewertung für Verbrennungsmotoren und Verdichter
Als nach ISO/IEC 17025 akkreditiertes (CNAS) unabhängiges Prüflabor führen wir Prüfungen von Kurbelwellen für Motorenhersteller, Zulieferer der Automobilindustrie, Großmotoreninstandhalter und technische Überwachungsorganisationen in Österreich durch. Kurbelwellen sind hochbelastete Bauteile, die die oszillierende Bewegung der Kolben in eine rotierende Bewegung umwandeln. Sie müssen über ihre gesamte Lebensdauer hinweg höchsten Beanspruchungen durch Biegung, Torsion, Schwingung und Verschleiß standhalten. Eine qualitativ hochwertige Kurbelwelle zeichnet sich durch maßhaltige Lagerzapfen, ausreichende Härte in den Laufflächen, hohe Ermüdungsfestigkeit, definierte Oberflächenrauheit, einwandfreie Werkstoffzusammensetzung und das Fehlen von Rissen oder Poren aus. Unser Labor führt zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen durch: Härteprüfung (Randschicht, Kern), Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit (Kerbschlagbiegeversuch), Gefügeuntersuchung (Metallographie), Rissprüfung (Magnetpulver‑ und Eindringverfahren), Maß- und Formprüfung an den Zapfen (Rundheit, Zylinderform, Oberflächenrauheit). Wir stützen uns auf internationale Normen (ISO 16905, ISO 6789, ASTM E8, ASTM E10, ÖNORM EN 10083, ÖNORM EN ISO 6506, ÖNORM EN ISO 4287) und berücksichtigen die Anforderungen österreichischer Motorenhersteller (z. B. AVL List, Liebherr, Rotax). Die Ergebnisse helfen Entwicklern bei der Optimierung von Schmiede‑ und Wärmebehandlungsprozessen, der Qualitätssicherung in der Serienproduktion und der Ursachenanalyse von Motorschäden.
Typen von Kurbelwellen und Proben, die wir prüfen
- Geschmiedete Kurbelwellen (Stahl, Vergütungsstahl, Mikrolegierungsstahl) für Pkw, Lkw und Industriebrigaden
- Gegossene Kurbelwellen (Kugelgraphitguss, Temperguss) für kleinere Motoren und Verdichter
- Kurbelwellen mit induktiv gehärteten Lagerzapfen oder nitrierten Oberflächen
- Kurbelwellen für Ein‑, Zwei‑, Vier‑ und Sechszylinder-Reihenmotoren, V‑Motoren sowie Boxermotoren
- Kurbelwellen für stationäre Gasmotoren, Kompressoren und Schiffsdieselmotoren (Abmessungen bis zu mehreren Metern)
- Frisch bearbeitete Serienteile (zur Erstmustergenehmigung oder regelmäßigen Chargenprüfung)
- Gebrauchte Kurbelwellen aus Revisionen (Schadensanalyse, Anrissprüfung, Verschleißmessung)
- Materialproben aus dem Kurbelwellenrohling (Zug‑ und Schlagproben, Härtemessung)
- Vergleichsmuster von Wettbewerbern (Benchmarking der Festigkeits- und Verschleißkennwerte)
- Probekörper aus den Zapfen (für Härteverlauf und Randschichtanalyse)
Wichtige Fehlerarten und Qualitätsparameter bei Kurbelwellen
- Risse – Oberflächenrisse (Schleifrisse, Warmrisse) oder Innenrisse – Gefahr von Bauteilversagen durch Kerbwirkung.
- Maßabweichungen an Haupt- und Pleuellagern (Durchmesser, Rundheit, Zylindrizität) – Führen zu Ölaustritt, Lagerschäden und Lagerspielproblemen.
- Unzureichende Härte der Lagerflächen (Randschichthärte) – Erhöhter Verschleiß, vorzeitige Freigabe von Lagermetall.
- Mangelhafte Oberflächenrauheit (Rz, Ra) – Beeinträchtigt die Tragfähigkeit des Ölfilms und führt zu Mischreibung.
- Poren oder Lunker im Gussgefüge – Lokale Schwächung, Rissausbreitung unter zyklischer Last.
- Schlechte Zähigkeit (geringe Kerbschlagarbeit) – Bruchgefahr bei stoßartiger Belastung (z. B. Zündaussetzer).
- Verbleibende Eigenspannungen (ungünstiges Spannungsprofil) – Begünstigung von Anrissen in der Schweißnaht oder an Bohrungen.
- Unzureichende Oberflächenbeschaffenheit der Entlastungsbohrungen – Kerbeffekt, Rissinitiierung.
Prüfmethoden im Detail
1. Makroskopische und mikroskopische Rissprüfung (ZfP)
Magnetpulverprüfung (MPI) – für ferromagnetische Stahlkurbelwellen – Die Kurbelwelle wird in einer Magnetisiereinrichtung magnetisiert und mit fluoreszierendem oder kontrastierendem Magnetpulver besprüht. Oberflächennahe Risse (Längs- und Querrisse, Schleifrisse) erzeugen Austrittsstellen, die als Pulveranreicherungen sichtbar werden. Die Prüfung deckt vor allem die hochbeanspruchten Übergänge zwischen Wange und Zapfen ab. Nach ÖNORM EN ISO 9934-1.
Eindringprüfung (PT) – für austenitische Stähle oder gegossene Kurbelwellen – Die gereinigte Oberfläche wird mit einem Fluoreszenzpenetranten benetzt. Überschüssiges Penetrat wird entfernt, Entwickler aufgetragen, Risse erscheinen als farbige Anzeigen unter UV-Licht.
Ultraschallprüfung (UT) – für tiefer liegende Innenrisse – Mit einem Winkelkopf und einer Frequenz von 2–5 MHz werden die Innenbereiche der Wangen und Zapfen auf Lunker, Einschlüsse und Risse geprüft.
2. Maß- und Formprüfung (Lagerzapfen)
Die Durchmesser der Haupt- und Pleuellager werden mit einer Präzisionsmessschraube oder einem Koordinatenmessgerät (Genauigkeit ±0,001 mm) an drei Positionen (links, mitte, rechts) gemessen. Die Rundheit wird mit einem Rundheitsmessgerät erfasst (max. Abweichung ≤ 5 µm). Die Zylindrizität des Zapfens wird durch Tastung in mehreren Schnittebenen bestimmt (Toleranz ≤ 6 µm). Üblich sind Toleranzen nach ISO 286 (z. B. H6 für Hauptlager).
3. Rauheitsmessung (Oberflächengüte)
Mit einem Tastschnittgerät (Perthometer) wird die Oberflächenrauheit der Lagerzapfen in Längsrichtung gemessen. Parameter: Mittenrauwert Ra (0,1 – 0,4 µm), Rz (0,5 – 2,0 µm) und das Glättungstiefenprofil (Rmr, für Traganteil). Die Werte müssen mit den Motorenherstellervorgaben übereinstimmen.
4. Härteprüfung (Randschicht, Kern)
Härteprüfung nach Vickers (HV 10) am Kernmaterial – Angestrebt werden 220 – 280 HV für vergütete Stähle.
Randschichthärte (HV 0,3 bis HV 1) an den Lagerzapfen – Für induktiv gehärtete Zapfen wird der Härteverlauf von der Oberfläche bis zum Kern ermittelt. Gefordert ist eine minimale Einsatzhärtung (z. B. 550 HV0,5) in einer Tiefe von 1,5 – 3 mm.
Brinnellhärte (HB) an den Wangen – Dient der Überprüfung der Grundwerkstoffhärte.
5. Zugfestigkeits- und Dehnungsprüfung
Aus einem gesonderten Materialabschnitt (z. B. einem angegossenen Probestück oder aus dem Wellenende) werden Zugproben (Durchmesser 6 mm, Messlänge 30 mm) gefertigt. In der Universalprüfmaschine (20 kN – 100 kN, Dehnungsmessung mit Extensometer) werden die Streckgrenze (Rp0,2), die Zugfestigkeit (Rm) und die Bruchdehnung (A5) ermittelt. Für vergütete Kurbelwellen: Rm 800 – 1100 MPa, Rp0,2 ≥ 600 MPa, A5 ≥ 10%.
6. Kerbschlagbiegeversuch (Charpy) – Zähigkeit
Nach ISO 148-1 werden Proben mit V‑Kerbe (10×10×55 mm) bei Raumtemperatur (23°C) geprüft. Die Kerbschlagarbeit (KV in Joule) wird ermittelt. Typische Anforderung: ≥ 40 J für Kernmaterial von Kurbelwellen.
7. Metallographische Gefügeuntersuchung
Ein Querschliff aus einem Lagerzapfen wird metallographisch präpariert, angeätzt (z. B. mit 2%igem Nital) und unter einem Lichtmikroskop bei 100- bis 500-facher Vergrößerung beurteilt. Bewertet werden Kornfeingrad (nach ASTM E112), Anteil von Perlit/Ferrit, Freikornferrit und Einschlussgehalt nach Kesselring/Murakami. Für gehärtete Zonen wird das martensitische Gefüge beurteilt (keine Anlasstemperung).
8. Ermüdungsversuch (Biegewechselfestigkeit) – optional für Neuentwicklungen
Eine Kurbelwelle wird in einem Resonanzprüfstand (z. B. 60 Hz) mit einer definierten Biegewechselbelastung bis zum Bruch getestet. Es wird die maximale Spannungsamplitude bestimmt, die 10⁷ Lastwechsel ohne Bruch übersteht (Dauerfestigkeit).
9. Restmagnetismus- und Entmagnetisierungsprüfung
Nach der Magnetpulverprüfung wird die Kurbelwelle entmagnetisiert. Die verbleibende magnetische Flussdichte wird mit einem Feldmessgerät gemessen; der Grenzwert liegt meist bei ≤ 2 Gauß (0,2 mT), um Anhaftungen von abrasiven Partikeln im Motorbetrieb zu vermeiden.
Probenvorbereitung und Konditionierung
- Die Kurbelwellen werden vor der Prüfung gereinigt und von Schleifrückständen befreit.
- Für die Zug‑ und Schlagproben werden separate Probestäbe aus gleichem Chargenmaterial benötigt.
- Die Anzahl der Prüflinge pro Charge richtet sich nach dem Liefervertrag (üblich: 1 Welle pro 500 Stück).
Qualitätskontrolle und Akzeptanzkriterien (Richtwerte)
Die folgenden Werte sind typische Anforderungen für geschmiedete Kurbelwellen in Pkw-Motoren. Der Kunde muss seine spezifischen Kriterien festlegen.
- Durchmessertoleranz der Lager: ±0,008 mm (Hauptlager), ±0,010 mm (Pleuellager)
- Rundheit: ≤ 4 µm, Zylindrizität ≤ 6 µm
- Rauheit Ra: ≤ 0,2 µm (Lagerfläche), Rz ≤ 1,5 µm
- Randschichthärte (induktiv gehärtet): ≥ 550 HV0,5 bei 1,5 mm Tiefe
- Kernhärte: 220 – 280 HV10
- Zugfestigkeit: ≥ 900 MPa
- Kerbschlagarbeit (KV): ≥ 30 J (bei -20°C) für kältebeanspruchte Motoren
- Rißfreiheit in der Magnetpulver‑ und Ultraschallprüfung
Prüfbericht und Dokumentation
Jeder Prüfbericht für Kurbelwellen enthält:
- Identifikation der Kurbelwelle (Motorart, Hubzapfendurchmesser, Werkstoff, Chargennummer, Wärmebehandlungszustand)
- Ergebnisse der Rissprüfung (MPI/PT/UT) – protokollierte Rissfreiheit oder Angabe von Fehlern
- Maß- und Formprüfungen (Soll-Ist-Vergleich, Rundheitsdiagramm)
- Rauheitskennwerte (Ra, Rz, Rmr)
- Härtewerte (Kern, Randschicht, Härteverlauf)
- Zugfestigkeits- und Dehnungswerte (Rp0,2, Rm, A5)
- Kerbschlagarbeit (KV) sowie Bruchanteil
- Gefügebild (digitales Mikroskopbild), Aussage zu Korngröße und Einschlüssen
- Vergleich mit den Kundenspezifikationen – „entspricht“ / „entspricht nicht“
- Archivierung der Rohdaten für 10 Jahre
Anwendungen in der österreichischen Industrie
- Automobilzulieferer (Steiermark, Oberösterreich): Endkontrolle von Kurbelwellen für EU‑Produktion (VW, BMW, Mercedes).
- Motorrad- und Freizeitmotoren (KTM, Rotax): Rissprüfung und Maßhaltigkeit von ein- und zweizylindrigen Kurbelwellen.
- Nutzfahrzeug- und Industriemotoren (Liebherr, MAN, Steyr): Großkurbelwellen für Lkw und Baumaschinen – Ultraschallprüfung und Gefügeanalyse.
- Motoreninstandsetzung (Österreichische Werkstätten): Wiederaufarbeitung von Kurbelwellen – Schleifreparatur, Härte- und Rissprüfung.
- Forschung und Entwicklung (AVL List, TU Graz): Erprobung neuartiger Werkstoffe, Schwingfestigkeitsprüfungen an Kurbelwellenprototypen.
