AT500416B1

AT500416B1 - Verfahren zur überprüfung von komponenten

Info

Publication number: AT500416B1
Application number: AT12722005A
Authority: AT
Inventors: Dr Kammerstetter
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-11-15
Also published as: AT500416A3; AT500416A2

Description

2 AT 500 416B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung von Komponenten, die durch spanende oder nicht spanende Fertigungsprozesse hergestellt werden, auf Störgrößen, wobei eine aus zumindest zwei Einzelstörgrößen Lj resultierende Summenstörgröße L gemessen wird, wobei beispielsweise zur Überprüfung von hydraulischen Komponenten eine aus zumindest zwei Einzelleckagen L, resultierende Summenleckage L gemessen wird.

Das Verfahren kann beispielsweise bei hydraulischen Komponenten von Common Rail Systemen wie sie für die Einspritzung von Dieselkraftstoff verwendet werden, zur Anwendung kommen.

Vordergründige Aufgabe der Schlussprüfung von komplexen Komponenten für die Einspritztechnik ist es, das Ergebnis sämtlicher Fertigungsprozesse hinsichtlich der spezifizierten Funktionsmerkmale zu verifizieren. Prüfmethoden nach dem Stand der Technik sind dabei in der Lage Gutteile von Ausschussteilen zu trennen. Prüfkriterien sind zum Beispiel Fördermengen oder Leckagemengen von Einspritzventilen.

Prüfverfahren nach dem Stand der Technik sind zumeist als sogenannte Summenprüfungen konzipiert. Das heißt, dass das Prüfergebnis durch die Summe aller möglichen Einflussfaktoren bestimmt wird. Liegt das Prüfergebnis außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches, so ist im allgemeinen keine unmittelbare Aussage darüber möglich, welcher Einflussfaktor für den gemessenen Prüfwert verantwortlich ist, sodass auch keine Verbesserungsvorschläge, beispielsweise für die Herstellung der geprüften Systemkomponente, abgeleitet werden können. Für die Herstellung von Hydraulikkomponenten für Hochdrucksysteme, wie Diesel Common Rail Einspritzsysteme werden beispielsweise sehr hohe Anforderungen an Oberflächen und Geometrien gestellt. Ein wesentliches Merkmal der genannten Komponenten ist die metallische Abdichtung von hohen Drücken. Insbesondere sind Dichtsitze von Ventilen, sowie Dichtspalte bewegter Teile wie Ventilführungen oder Pumpenkolben auf ordnungsgemäße Dichtfunktion zu prüfen. Eine besondere Stellung nehmen hier Magnetventile ein, welche sowohl einen Dichtsitz, als auch eine mit Hochdruck beaufschlagte Ventilführung aufweisen. Solche Ventile weisen über die Ventilführung natürliche Leckagen auf, die unabhängig von der Ventilfunktion wirksam sind. Im Falle eines fehlerhaften Ventilsitzes kommt noch der Anteil der Sitzleckage hinzu.

Durch eine einfache Messung der Summenleckage ist keine sichere Identifikation von Sitzleckagen möglich, sofern beide Leckagen über eine einzige Leckagenbohrung aus dem Ventil abgeführt werden. Der Grund dafür ist, dass Führungsleckagen großen Streuungen unterworfen sind, da diese Leckagenmenge mit der dritten Potenz der Spalthöhe variiert. Damit kann nicht unterschieden werden, ob ein hoher Leckagenwert innerhalb der Spezifikation durch ein großes Führungsspiel bei gutem Dichtsitz (was zulässig wäre), oder aber durch einen undichten Ventilsitz bei kleiner Führungsleckage (was unzulässig ist) verursacht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überprüfung von Komponenten, die durch spanende oder nicht spanende Fertigungsprozesse hergestellt werden, auf Störgrößen vorzuschlagen, beispielsweise ein Verfahren zur Überprüfung von hydraulischen Komponenten auf Leckagen, welches ohne wesentliche Vergrößerung des Messaufwandes auch eine Aussage über die Beiträge einzelner Einflussfaktoren auf das Prüfergebnis zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zu jeder Einzelstörgröße L, eine physikalisch oder empirisch abgeleitete Funktion Li = f,(x) ermittelt wird, sodass die Summenstörgröße einer Funktion L(x) = ^ f^x) + k2 f2(x) + ...+ fi L|(x) genügt, wobei x zumindest eine bei der Überprüfung der Komponente variierbare Größe ist, sowie dass die Summenstörgröße L für unterschiedliche Werte der Variablen x gemessen und die Koeffizienten k, aus den Messwerten für die Summenstörgröße L berechnet werden.

Angewandt auf hydraulische Komponenten, wie Injektoren, Hochdruckpumpen oder Ventile, 3 AT 500 416B1 bedeutet das, dass zu jeder Einzelleckage U eine physikalisch oder empirisch abgeleitete Funktion Li = f|(x) ermittelt wird, sodass die Summenleckage einer Funktion L(x) = ^ f^x) + k2 f2(x) + ...+ f, Li(x) genügt, wobei x zumindest eine bei der Überprüfung der hydraulischen Komponente variierbare Größe ist, sowie dass die Summenleckage L für unterschiedliche Werte der Variablen x gemessen und die Koeffizienten k, aus den Messwerten für die Summenleckage L berechnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit neben der Prüfung der Summenleckage analog dem Stand der Technik, mit Hilfe der Koeffizienten ki eine unmittelbare Aussage über die Beiträge einzelner Einflussfaktoren auf das Prüfergebnis.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem mathematischen Modell des Prüfvorganges, welches einzelne Einflussfaktoren summiert und bevorzugt auf physikalischen Grundlagen aufbaut. Es ist aber auch möglich einen nicht physikalisch begründeten, empirischen Funktionsansatz zu verwenden. Entscheidend ist, dass das gewählte mathematische Modell das Ergebnis der Prüfung als Funktion mindestens einer bei der Prüfung veränderbaren Größe darstellt und die kombinierten Anteile durch verschiedene Funktionen ausgedrückt werden. Damit wird es möglich im Rahmen der Prüfung den Verlauf des Prüfwertes, beispielsweise den Verlauf der Summenleckage, als Funktion der veränderbaren Größe aufzunehmen und anschließend die Koeffizienten des mathematischen Modells zu berechnen.

Erfindungsgemäß können die Koeffizienten k, der Funktion L(x) mit Hilfe von Least Square Verfahren an die Messwerte für die Summenleckage L angepasst werden. Die derart bestimmten Koeffizienten geben direkt Auskunft über die gesuchten Leckagenanteile.

Beispielsweise kann als variierbare Größe x der Systemdruck p, die Betriebstemperatur t, die Drehzahl u oder die Betätigungsfrequenz f der hydraulischen Komponente gemessen werden.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird bei der Überprüfung eines Ventils, beispielsweise eines Common Rail Injektors, die Summenleckage L(x) des Ventils in der Form ft(ki, k2, x) + f2(k3, x) dargestellt, wobei fi(ki, k2, x) die funktionale Abhängigkeit der Führungsleckage und f2(k3, x) die funktionale Abhängigkeit der Sitzleckage von der variierbaren Größe x darstellt und die Koeffizienten k1( k2, k3 den Anteilen der Führungs- und der Sitzleckage an der gemessenen Summenleckage L proportional sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, beispielsweise bei einer Summenmessung der Leckagen die Anteile der Sitzleckage und der Führungsleckage zu trennen. Somit kann durch eine einfache Leckagenmessung eine Aussage sowohl über die Qualität des Dichtsitzes, als auch über die Qualität der Ventilführung gemacht werden.

Bisher musste ein als möglicherweise undicht identifiziertes Ventil ausgebaut und alle für die Dichtheit relevanten geometrischen Größen vermessen und daraus auf die Dichtheit rückgeschlossen werden. Der Einfluss des Montageprozesses, von Montagekräften oder von Maßen, welche nicht zugängig waren, blieb dabei unberücksichtigt.

Ein weiterer Nachteil bisheriger Prüfverfahren ist die lange Wartezeit auf ein entsprechendes Messergebnis, da die Messungen üblicherweise in einem Feinmessraum mit vorheriger Klimatisierung der Teile durchgeführt werden muss. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine unmittelbare Identifikation der Ursache einer Undichtheit möglich. Eine Rückmeldung an betroffene Fertigungsprozesse kann unmittelbar erfolgen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels sowie mit Hilfe von Diagrammen näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 die gemessene und approximierte Summenleckage L (in m3/s) eines 2-2-Wege Ventils eines Common Rail Injektors in Abhängigkeit des Systemdruckes p (in Pascal), Fig. 2 die Abweichung der approximierten Funktion L(p) vom Verlauf der Messwerte L für die Sum- 4 AT 500 416 B1 menleckage gemäß Fig. 1, sowie Fig. 3 eine schematische Darstellung eines 2-2-Wege Ventils.

Als Beispiel sei die Prüfung eines 2-2-Wege Ventils eines Common Rail Injektors aufgeführt. Zunächst wird ein mathematisches Modell des Zusammenhanges zwischen dem Systemdruck p und der Führungsleckage Li(p) sowie der Sitzleckage L2(p) gebildet (siehe Fig. 3). Im dargestellten Beispiel beruht das Modell auf physikalischen Grundlagen und die geometrischen Größen sind direkt daraus ersichtlich. Im Ventil liegt der Systemdruck p an.

Als nächstes wird als Prüfergebnis der Zusammenhang zwischen der Summenleckage L und dem Systemdruck p ermittelt. Die freien Koeffizienten k, des Modells werden mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate an die Messwerte angepasst. Da das Modell auf einer physikalischen Grundlage basiert, können daraus direkt die gesuchten Größen abgelesen werden: (D (2) (2.1) L(p) = L,(p) + L2(p) mP) = A * (/c1 + /c2 * -^)3 * p 12 * p*v*l_leck L2(p) = k3*^*^ (3) b ... Breite des Spaltes der Führungsleckage p ... Dichte des Fluids v... kinematische Viskosität

Meck ... Länge des Leckagespaltes k1 ... Spalthöhe bei Umgebungsdruck k2 ... linearer Aufweitungskoeffizient des Leckspaltes k3 ... effektiver Leckagequerschnitt am Sitz p... Systemdruck

Im Diagramm gemäß Fig. 1 sind die Messwerte L der Summenleckage in dichter Folge eingetragen, die man erhält, wenn der Systemdruck p variiert (beispielsweise kontinuierlich erhöht) wird. An diese Messwerte wird die Funktion L(p) mit Hilfe von Least Square Verfahren angepasst. Nach der Berechnung der Koeffizienten k, können die Einzelleckagen (Führungsleckage L^p) und Sitzleckage L2(p)) getrennt angegeben werden. Dominant erscheint hier der Anteil der Führungsleckage L^p).

Fig. 2 zeigt die nur sehr geringe Abweichung der approximierten Funktion L(p) von den Messwerten L der Summenleckage in Abhängigkeit des Systemdruckes p.

Beim vorliegenden Beispiel wurde eine Messung der Leckagen ab einem Systemdruck von 250 bar (2,5*107 Pa) durchgeführt. k1 ist physikalisch das "Nennführungsspiel" und wurde im vorliegenden Beispiel mit 9.059 pm ermittelt und klar als Ursache der zu großen Leckagemenge identifiziert. k2 ist physikalisch ein linearer Spaltaufweitungskoeffizient. Das heißt dieser Koeffizient berücksichtigt eine Aufweitung des Führungsspieles durch den Systemdruck p und berücksichtigt damit die Elastizität der Ventilführungsbohrung. Obwohl dieser Koeffizient bekannt ist, wurde er als zusätzlicher Freiheitsgrad in die Approximation aufgenommen. Die ermittelte Größenord-

Claims

5 AT 500 416 B1 nung von 9*1 θ'4 μιη/bar ist ein plausibler Wert. k3 ist physikalisch der Leckagenquerschnitt am Ventilsitz. Zur besseren Vorstellung wurde der ermittelte Querschnitt auf einen fiktiven Ventilhub bezogen, der sich hier zu 0.103 pm ergibt. Dieser Wert weist ebenfalls auf einen fehlerhaften Ventilsitz hin. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es ein fehlerhaft gefertigtes Ventil eindeutig zu identifizieren und auch die Ursache des Fehler exakt einzugrenzen. Dabei ist es unerheblich, ob die detektierbaren Fehlergrößen einzeln oder gleichzeitig auftreten, da das Verfahren in der Lage ist, die Koeffizienten jeder einzelnen Fehlerfunktion unabhängig von den anderen zu bestimmen. Detektierbar sind Fehler nach diesem Verfahren dann, wenn Sie exklusiv mathematisch nicht ähnlichen Funktionen zugeordnet werden können. Als Beispiel solcher Funktionen seien die Potenzfunktionen genannt. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Überprüfung von Komponenten, die durch spanende oder nicht spanende Fertigungsprozesse hergestellt werden, auf Störgrößen, wobei eine aus zumindest zwei Einzelstörgrößen Lj resultierende Summenstörgröße L gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Einzelstörgröße U eine physikalisch oder empirisch abgeleitete Funktion Lj = fj(x) ermittelt wird, sodass die Summenstörgröße einer Funktion L(x) = ki f^x) + k2 f2(x) + ...+ fi Lj(x) genügt, wobei x zumindest eine bei der Überprüfung der Komponente variierbare Größe ist, sowie dass die Summenstörgröße L für unterschiedliche Werte der Variablen x gemessen und die Koeffizienten kj aus den Messwerten für die Summenstörgröße L berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten hydraulische Komponenten, wie Injektoren, Hochdruckpumpen oder Ventile sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Störgrößen Leckagen sind, wobei eine Summenleckage L aus zumindest zwei Einzelleckagen Lj resultiert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten kj der Funktion L(x) mit Hilfe von Least Square Verfahren an die Messwerte für die Summenleckage L angepasst werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als variierbare Größe x der Systemdruck p der hydraulischen Komponente gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als variierbare Größe x die Drehzahl u oder die Betätigungsfrequenz f der hydraulischen Komponente gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als variierbare Größe x die Betriebstemperatur t der hydraulischen Komponente gemessen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überprüfung eines Ventils, beispielsweise eines Common Rail Injektors, die Summenleckage L(x) des Ventils in der Form f^ki, k2, x) + f2(k3, x) dargestellt wird, wobei fi(k-j, k2, x) die funktionale Abhängigkeit der Führungsleckage und f2(k3, x) die funktionale Abhängigkeit der Sitzleckage von der variierbaren Größe x darstellt und die Koeffizienten ki, k2, k3 den Anteilen der Führungs- und der Sitzleckage an der gemessenen Summenleckage L proportional sind.