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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer zumindest teilweise fertigmontierten Brennkraftmaschine auf sich in einer Änderung des Vibrationsverhaltens ausdrückende Fehler bzw.
Betriebsstörungen, wobei die Brennkraftmaschine über einen Fremdantrieb angetrieben wird und eine Schwingungsaufnahmeeinrichtung Oberflächenvibrationen an der Brennkraftmaschine aufgenommen und in einer Auswerteeinheit zu einem Messsignal verarbeitet werden.
Es sind Einrichtungen zur Prüfung des Vibrationsverhaltens von Brennkraftmaschinen bekannt, welche einfach eine Aufnahmevorrichtung für die zu prüfende Brennkraftmaschine mit den für den Fremdantrieb erforderlichen Anschlüssen aufweisen, wobei diese in einem schalltoten oder zumindest gegenüber Umgebungsgeräuschen weitgehend isolierten Raum angeordnet ist. Die zu prüfende Brennkraftmaschine wird dann vom jeweiligen Prüfer nach Gehör beurteilt - was naturgemäss, auch wegen der sehr grossen Anzahl von die ausgesendeten Schallpegel beeinflussenden Parametern nur eine sehr grobe und subjektive Prüfung beispielsweise auf korrekt eingestellte Ventile, Vorhandensein aller Lagerschalen, od. dgl. erlaubt.
Weiters ist es in ähnlichem Zusammenhang bekannt, aus an geeigneten Stellen der Brennkraftmaschine abgenommenen Körperschallsignalen auf eine korrekte Einstellung des Ventiltriebs - also etwa der Ventilspiele oder der Ventilsteuerzeiten - zu schliessen, wobei allerdings die in diesem Zusammenhang bekannte Einrichtung (s. DE-OS 3004605) nicht an einer fremdangetriebenen sondern an einer im Normalbetrieb befindlichen Brennkraftmaschine angewendet ist, was wegen der dabei dominierenden Verbrennungsgeräusche keine besondere Genauigkeit der Messung erwarten lässt.
Als weiterer Nachteil ist in diesem Zusammenhang zu nennen, dass die üblicherweise für derartige Zwecke verwendeten Körperschallaufnehmer entweder auf der zu vermessenden Brennkraftmaschine fest angebracht werden müssen, oder aber, falls diese feste Befestigung nicht gesichert ist, Resultate liefern, welche in höchstem Masse von der gewählten Anbringung abhängig sind.
Gemäss einem älteren Vorschlag (s. AT-PS Nr. 376796) ist schliesslich vorgesehen, dass die Schwingungsaufnahmeeinrichtung mit einem Laserstrahl arbeitet, dessen Strahl auf die zu vermessenden Stellen der Oberfläche der Brennkraftmaschine richtbar ist und wobei über eine Demodulationseinrichtung in der Auswerteeinheit aus der von der zu vermessenden Stelle reflektierten Laserstrahlung der Einfluss von Vibrationen der reflektierenden Oberfläche ausgefiltert und als Messsignal weiterverarbeitet wird.
Nachteilig bei der Anordnung nach dem älteren Vorschlag ist, dass dort stets Oberflächenvibrationen an von aussen leicht zugänglichen, grosse Oberflächen aufweisenden Teilen, wie beispielsweise den Kurbelgehäuseseitenwänden, dem Zylinderkopf oder dem Zylinderkopfdeckel aufgenommen werden, was insbesondere bei modernen Brennkraftmaschinen, welche durch den gezielten Einsatz verbesserter Technologien aus der Forschung und Entwicklung trotz zunehmenden Literleistungen verringerte Geräuschemissionen, beispielsweise durch elastische Abkoppelung der äusseren Teile von der kraftführenden inneren Motorstruktur, aufweisen, den Nachteil hat, dass die auf diese Weise erhaltbaren Messsignale gering bzw. unspezifisch sind. Das bei einem Schaden bzw.
Fehler üblicherweise als frühzeitiges Warnsignal auftretende Geräusch wird durch die im Hinblick auf die Gesamtschallabstrahlung vorgenommenen Verbesserungen in seiner Wahrnehmbarkeit von aussen eingeschränkt, weshalb Prüfsysteme, die eine Diagnose über Schwingungen an grossen feststehenden äusseren Oberflächen der Brennkraftmaschine durchführen - wie im älteren Vorschlag beschrieben - zunehmend mit Schwierigkeiten konfrontiert sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass auch und insbesondere bei modernen, hinsichtlich des Gesamtschallpegels zumindest teilweise bereits optimierten Brennkraftmaschinen eine Diagnose durch Aufnahme von Oberflächenvibrationen möglich wird.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die Oberflächenvibrationen berührungslos an von aussen zugänglichen, drehenden Wellen bzw. Teilen der Brennkraftmaschine aufgenommen werden. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, dass die zu diagnostizierenden Defekte in der Mechanik der Brennkraftmaschine - die sich vornehmlich in einer Zunahme von Stössen durch Spielveränderungen äussern - weitgehend zu einer direkten Schwingungsanregung der drehenden Wellen führen. Somit wird bei der Diagnose eines Defekts in der Mechanik an den zur Schwingungseinleitung nächstgelegenen Teilen gemessen, ohne eine Beeinflussung und Schwächung der Schallübertragung durch die Eigenschaften der das Triebwerk umhüllenden Stuktur.
Weiters ist man durch die-
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se erfindungsgemässe Methode in der Lage, die Fehler und deren Ursachen wesentlich effizienter voneinander zu trennen bzw. zu lokalisieren. Bei der bisher durchgeführten Prüfung an der Aussenoberfläche beispielsweise des Kurbelgehäuses führt eine gleichzeitige Überlagerung sämtlicher im Motor auftretenden Wechselkräfte und Stösse zu einer starken Erschwerung bei der Extraktion eines darin eingelagerten defektspezifischen Schwingungsanteils und damit bei der Klassifikation und Ortsangabe eines Fehlers bzw. Schadens.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächenvibrationen an der Kurbelwelle und/oder an der Nockenwelle der Brennkraftmaschine aufgenommen werden, wozu in besonders bevorzugter Weise An- bzw. Abtriebsräder dieser Wellen oder das Schwungrad des Motors - falls vorhanden - herangezogen werden. Für die in der Mechanik der Brennkraftmaschine auftretenden Fehler bzw. Schäden ist primär von Wichtigkeit, ob der Schaden im Bereich des Zylinderkopfes oder des Kurbelgehäuses zu finden ist, da es davon abhängt, ob vom Reparatur-oder Servicepersonal der Zylinderkopfdeckel oder-nach Ablassen des Motoröls - die Ölwanne geöffnet werden muss, um die darunter befindlichen Teile der Mechanik der Brennkraftmaschine einer weiteren Kontrolle zu unterziehen bzw. die Defektursache zu beheben.
Soferne also die Nockenwelle im Bereich des Zylinderkopfes angeordnet ist, eignet sich diese zusammen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. an diesen Wellen befestigten An- oder Abtriebsrädern besonders für die Prüfzwecke nach der Erfindung.
Zur Auswertung der Messungen bzw. der dabei festgestellten absoluten Schwingungsbewegungen bezüglich einer festen Motorebene bzw. der Drehschwingungen kann sowohl der Pegelwert in den geeigneten Betriebszuständen oder in bestimmten defektspezifischen Frequenzbändern - vornehmlich im Bereich der von Erregerkräften hervorgerufenen Biege- oder Torsionsresonanzen (etwa 200 Hz bis 1, 2 kHz) herangezogen werden. In gleicher Weise liefert die drehsynchrone zeitliche Abfolge der Amplituden- oder Energiespitzen zufolge der Stossvorgänge in der Brennkraftmaschine (über gefilterte Zeitsignale im Bereich zwischen 500 Hz und 5 kHz) gute Diagnoseinformationen. Mit Hilfe einer Referenzmarke an der Kurbel- bzw. Nockenwelle für die Drehzahl und für die Dauer eines Arbeitszyklus, deren zugehöriges Signal z.
B. über eine in vielen Fahrzeugen heutzutage schon vorhandene Diagnoseeinrichtung oder mittels eines elektromechanischen oder optischen Sensors aufbereitet werden kann-und mit der genauen Kenntnis des Bewegungsablaufes in der Brennkraftmaschine kann auf die Defektursache geschlossen werden bzw. kann eine Zuordnung zu einem bestimmten Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen. Eine gegenseitige Beeinflussung der von Schäden im Ventiltrieb einerseits und Kurbeltrieb anderseits herrührenden Signale ist zufolge der hinlänglichen Isolation über den Nockenwellenantrieb (üblicherweise Riemen oder Kette) und zufolge der unterschiedlichen Frequenzlage der Resonanzen und Stossvorgänge (der Ventiltrieb weist höherfrequentere defektspezifische Schwingungsanteile als der Kurbeltrieb auf) nahezu ausgeschlossen.
Weiters können aber auch durch bestimmte charakteristische Betriebszustände der Brennkraftmaschine bzw. die dabei erhaltenen Signale verschiedene Defektursachen voneinander getrennt werden.
Besonders bevorzugt ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Aufnahme der Vibrationen entweder im wesentlichen senkrecht oder aber im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des jeweiligen Bauteiles erfolgt. Die Aufnahmemesstechnik von Schwingungen hat einen grossen Fortschritt durch die Anwendung berührungsloser, die örtlichen Massenverhältnisse unbeeinflusst lassender und ohne baulichen Aufwand anzubringender Sensorsysteme gemacht. Früher gab es kaum Möglichkeiten, Absolutschwingungen sich drehender Wellen bezüglich feststehender Ebenen zu messen. Lediglich relative Abstandsmessungen mit fix im Objekt montierten Sensoren konnten in einem beschränkten Frequenzumfang im Labor durchgeführt werden.
Die berührungslose Schwingungsmessung mit Hilfe induktiver oder kapazitiver Systeme bei aussenliegenden, fest am Fundament angebrachten Sensoren ist zwar prinzipiell auch zur Aufnahme kleinerer Schwingausschläge bei höheren Frequenzen (bis etwa 10 kHz) geeignet. Diese Technik ist jedoch nicht für Schwingungsvergleiche zur Diagnose an wechselnden Objekten einsetzbar, da sie eine abstandsproportionale Empfindlichkeit und damit sich verändernde absolute Schwingpegelhöhe bei Aufnahme eines Spektrums aufweist.
Absolute Drehschwingungsmessungen waren demgemäss bisher im wesentlichen nur mit Hilfe zweier am Umfang eingebetteter Beschleunigungsaufnehmer in Differenzschaltung so wie einer Signal- übertragung mittels Schleifringen bzw. drahtlos über Funk möglich. Dabei war allerdings durch
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Störungen zufolge der Schleifringe selbst oder durch die Zündung bei Funk der Messbereich drastisch eingeschränkt. Ebenso war für diese nur im Labor durchzuführenden Messungen ein erheblicher baulicher Aufwand notwendig.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit bietet in diesem Zusammenhang die eingangs bereits angesprochene neue Technologie der Laser-Doppel-Velocimetrie und der Ausnutzung der Doppler- - Frequenzverschiebung bei Anstrahlung schwingender Objekte mittels eines Monomode-Laserlichtes.
Derartige Einrichtungen ermöglichen die Aufnahme von Schwingungen an drehenden Teilen, u. zw. sowohl in Richtung des Laserstrahles als auch in dazu normaler Richtung. Der Frequenzbereich derartiger Anordnungen sowie auch der Dynamikumfang der aufzunehmenden Bewegungen ist allen bisher in diesem Zusammenhang bekannten Methoden deutlich überlegen, weshalb die Laser-Doppler-Velocimetrie für die berührungslose Schwingungsdiagnose bzw. insbesondere für das Verfahren nach der Erfindung besonders geeignet ist. Davon abgesehen ist aber natürlich auch jede andere Möglichkeit zur berührungslosen Schwingungsaufnahme für die Zwecke der Erfindung geeignet - beispielsweise sei hier nur auf die Verwendung von Mikrowellen verwiesen, welche aber gewisse Einbussen hinsichtlich des Frequenz- und Dynamikumfanges mit sich bringen.
Um unter Umständen nachteilige Einflüsse der Fertigungsgenauigkeit bzw. der Oberflächenrauheit an den rotierenden Messflächen auszuschalten, können gemäss einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung die Oberflächenvibrationen an einem separat auf den jeweiligen Bauteil für diese Prüfung aufgesetzten Messteil aufgenommen werden. Davon abgesehen kann natürlich auch durch die geeignete Wahl der Messstelle (kleiner Durchmesser, Bevorzugung der axialen Messrichtung) als auch durch den Frequenzbereich - es sind vornehmlich tiefe Frequenzen bis etwa 300 Hz betroffen - ausreichend genau die Defektauswirkungen - die zugehörigen Signale liegen im Bereich von etwa 500 Hz bis zur Auflösungsgrenze - unterschieden werden. Durch den separaten Messteil können insbesondere Einflüsse der Serie-z.
B. in der Endkontrolle einer Massenproduk- tion-durch Wählen von genügend genau bearbeiteten Messteilen ausgeschaltet werden. Allenfalls vorhandene Exzentrizitäten können über die bekannte Drehzahl der zu prüfenden Brennkraftmaschine vom eigentlichen Messphänomen abgekoppelt werden.
An Hand der beiliegenden, teilweise schematischen Darstellung wird die Erfindung nochmals näher erläutert.
Zur Prüfung einer zumindest teilweise fertig montierten Brennkraftmaschine --1-- auf sich in einer Änderung des Vibrationsverhaltens ausdrückende Fehler bzw. Betriebsstörungen, ist die Brennkraftmaschine über einen hier nur angedeuteten Fremdantrieb --2-- am schwungradseitigen Ende der nur durch ihre Achse --3-- angedeuteten Kurbelwelle angetrieben. Über ebenfalls nicht weiter dargestellte Schwingungsaufnahmeeinrichtungen werden Oberflächenvibrationen der Brennkraft- maschine --1-- berührungslos an von aussen zugänglichen drehenden Wellen bzw. Teilen der Brennkraftmaschine aufgenommen und in einer gleichfalls nicht dargestellten Auswerteeinheit zu einem Messsignal verarbeitet, aus dem in hier nicht näher interessierender Weise auf bestimmte Fehler oder Betriebsstörungen geschlossen werden kann.
Die Aufnahme der Vibrationen erfolgt dabei entweder direkt am Schwungrad --4--, an einem Abtriebsrad --5-- auf der Kurbelwelle für hier nicht weiter dargestellte Zusatzaggregate bzw. am Nockenwellenantriebsrad --6-- - die Nockenwelle selbst ist nur durch ihre Mittellinie --7-angedeutet - oder aber an zur Aufnahme der Oberflächenvibrationen separat auf den jeweiligen Bauteil für die Prüfung aufgesetzten Messteilen --8--, welche einfach anbringbar sind und mit besonderer Oberflächengüte bzw. besonders kleinen Bearbeitungstoleranzen hergestellt sind. Prinzipiell möglich ist eine Abtastung im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des jeweiligen Bauteiles-s. die Pfeile 9 - oder aber eine Abtastung der Vibrationen im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des jeweiligen Bauteiles - s. die Pfeile 10.
An diesen Stellen kann beispielsweise die Oberfläche des drehenden Bauteiles mit einem Laserstrahl angestrahlt werden, wobei dann der von der drehenden und vibrierenden Oberfläche reflektierte Anteil des Lichtes hinsichtlich der Oberflächenvibrationen untersucht werden kann.
Da die Kurbelwelle bzw. die Nockenwelle unmittelbar mit den üblicherweise zum Auftreten von erhöhten Schallpegeln führenden Stellen und Funktionen der Brennkraftmaschine in Verbindung stehen oder ident sind, kann durch diese Wahl der Aufnahmeorte für die Vibrationen auf sehr ein-
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fache Weise eine genaue Prüfung durchgeführt werden, auch wenn beispielsweise das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine --1-- oder der Zylinderkopfdeckel auf hier nicht weiter dargestellte Weise gegenüber den eigentlichen körperschallerregten Teilen der Brennkraftmaschine isoliert sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Prüfung einer zumindest teilweise fertig montierten Brennkraftmaschine auf sich in einer Änderung des Vibrationsverhaltens ausdrückende Fehler bzw. Betriebsstörungen, wobei die Brennkraftmaschine über einen Fremdantrieb angetrieben wird und über eine Schwingungaufnahmeeinrichtung Oberflächenvibrationen an der Brennkraftmaschine aufgenommen und in einer Auswerteeinheit zu einem Messsignal verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvibrationen berührungslos an von aussen zugänglichen, drehenden Wellen bzw. Teilen der Brennkraftmaschine aufgenommen werden.