DE102004047106A1

DE102004047106A1 - Vorrichtung zur tribologischen Prüfung eines Prüfkörpers

Info

Publication number: DE102004047106A1
Application number: DE200410047106
Authority: DE
Inventors: Klaus Meyer; Gernot Repphun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-06
Also published as: WO2006034929A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tribologischen Prüfung eines Prüfkörpers (3), umfassend als Basiskomponenten eine Halteeinrichtung (6) zum Halten des Prüfkörpers (3), eine Antriebseinrichtung (2) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Prüfkörper (3) und einem Gegenkörper (30), eine Lasterzeugungseinrichtung (9) zum Aufbringen einer vorbestimmten Last auf den Prüfkörper (3) und eine Zuführeinrichtung (12) zum Zuführen eines Schmiermediums. Als Prüfumgebung ist eine mit Überdruck beaufschlagbare Druckkammer (15) vorgesehen, in der der Prüfkörper (3) an der Halteeinrichtung (6) und in Wirkverbindung mit den weiteren Basiskomponenten (2, 9) anordenbar ist (Figur 2).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur tribologischen Prüfung eines Prüfkörper nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher bezeichneten Art.

Aus der Praxis sind Vorrichtungen zur Prüfung auf Reibung, Schmierung und Verschleiß als so genannte Tribometer bekannt, mit denen das Reibungs- und Verschleißverhalten von Prüfkörpern untersucht wird. Zur Anwendung kommen solche Tribometer z. B. bei der Verschleißprüfung von Bauteilen für Hochdruckeinspritzsysteme bei Diesel- und Benzinmotoren, Hydraulikaggregaten, Kolben- und Zahnradpumpen oder dergleichen. Dabei wird mit einem realen Lastkollektiv die Belastung eines zu prüfenden Bauteiles bezeichnet, welches im Endprodukt in der Anwendung ist.

Zur tribologischen Prüfung wird der Prüfkörper und ein entsprechender Gegenkörper unter Belastung eventuell mit einem Schmiermedium unter Anwendungsbedingungen relativ zueinander bzw. relativ zum Medium bewegt. Als Bewegungen sind z. B. ein insbesondere reversierendes Gleiten, Rollen, Schlagen oder dergleichen vorgesehen. Dabei werden wichtige Messgrößen, wie der Verschleiß, die Reibkraft, die Temperatur etc., ausgewertet.

Die bekannten Vorrichtungen arbeiten bei Normaldruck und üblichen Umgebungsbedingungen, wobei die Umgebungsbedingungen gegebenenfalls hinsichtlich bestimmter Parameter, wie z. B. die Luftfeuchte, konditioniert werden.

Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von leicht flüchtigen, flüssigen Schmiermedien oder bei dem Einsatz von flüssigen Schmiermedien oberhalb der Siedetemperatur ein Verdampfen des Schmiermediums erfolgt. Auch wenn dem durch eine permanente Zuführung des Schmiermediums entgegengewirkt wird, ergibt sich das Problem, dass beim tribologischen Kontakt zwischen dem Prüfkörper und dem Gegenkörper ein Übergang in die Dampfphase auftreten kann, verbunden mit Blasenbildung.

Darüber hinaus kann bei einer Mischung verschiedener Fluide als Schmiermediumgemisch eine Änderung der chemischen Zusammensetzung des Gemisches auftreten, da sich schwer flüchtige Komponenten anreichern.

Demnach liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche bei einer tribologischen Prüfung mit realen Lastkollektiven ein Verdampfen des Schmiermediums verhindert und bei der gleichzeitig der Einsatz von leicht brennbaren und explosiven Medien ebenfalls ermöglicht wird.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur tribologischen Prüfung eines Prüfkörpers vor, umfassend als Basiskomponenten eine Halteeinrichtung zum Halten des Prüfkörpers, eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Prüfkörper und einem Gegenkörper, eine Lasterzeugungseinrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten Last auf den Prüfkörper, und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Schmiermediums, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass als Prüfumgebung eine mit Überdruck beaufschlagbare Druckkammer vorgesehen ist, in der der Prüfkörper an der Halteeinrichtung und in Wirkverbindung mit den weiteren Basiskomponenten anordenbar ist.

Wenn ein Teil oder auch sämtliche Basiskomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur tribologischen Prüfung in der Druckkammer untergebracht werden, so kann vorteilhafterweise der Dampfdruck des verwendeten z. B. flüssigen Schmiermediums durch den veränderbaren Innendruck in der Druckkammer ausgeglichen werden und eine Verdampfung des Schmiermediums minimiert werden.

Ferner kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur tribologischen Prüfung in vorteilhafter Weise das Bilden eines explosiven Gas-Luftgemisches verhindert werden, wobei die Druckkammer zur Reduzierung des Gehaltes an Sauerstoff, in dem sich Dämpfe eines brennbaren Mediums verteilen können, z. B. vollständig mit Flüssigkeit angefüllt werden kann und die Verwendung von Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid zur Befüllung eines nicht von Flüssigkeit eingenommenen Volumens des Innenraums der Druckkammer möglich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit ein Tribometer dar, welches ausgelegt ist, jede Art von Prüfkörper unter realen Lastkollektiven, d. h. seiner Belastung bei Anwendung im Produkt, zu prüfen. Es hat sich gezeigt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung besonders zur tribologischen Prüfung von Hochdruckerzeugungskomponenten, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, geeignet ist.

Da auch höchste Explosionsschutzanforderungen durch die vorgeschlagene Vorrichtung erfüllt werden können, ist auch der Einsatz von leicht brennbaren Medien möglich. Hiermit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Prüfung von und mit Betriebsstoffen, insbesondere Medien für Brennkraftmaschinen. Dabei können Modellprüfkörper und originale Bauteile von Diesel- und Ottokraftstoff-Hochdruckeinspritzpumpen und Injektoren hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe optimiert und das Verhalten in Kraftstoffen, wie z. B. Ottokraftstoffen, Diesel oder Brennstoffen für Flugturbinen, untersucht und bestimmt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass sämtliche Basiskomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, d. h. insbesondere die Halteeinrichtung, die Antriebseinrichtung und die Lasterzeugungseinrichtung, in der abgedichteten Druckkammer angeordnet sind.

Bei einer derartigen Ausgestaltung sind vorteilhafterweise nur elektrische Zuleitungen in die Druckkammer und bei einem hydraulischen Antrieb zusätzlich Hydraulikleitungen nötig. Weitere, aufwändig abzudichtende Durchbrüche in der Behälterwand der Druckkammer zum Durchführen von Teilen der Basiskomponenten können entfallen, womit die Abdichtung der Druckkammer insgesamt sehr einfach und kostengünstig realisierbar ist.

Um auch während der tribologischen Prüfung bestimmte Parameter, insbesondere verschleißabhängige Parameter oder dergleichen, zu erfassen, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Sensoreinrichtung, wie z. B. ein Kraftsensor, im Innenraum der Druckkammer vorgesehen sein.

In vorteilhafter Weise kann bei einer solchen Ausführung der Prüfkörper über den Kraftsensor mit der Halteeinrichtung gekoppelt sein. Somit wird eine möglichst einfache Erfassung z. B. einer auftretenden Reibkraft bei einer Verschleißprüfung ermöglicht.

Eine weitere, besonders günstige Variante der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass bestimmte Basiskomponenten oder andere Komponenten, vorzugsweise Komponenten mit sensiblen elektronischen Einrichtungen, außerhalb der Druckkammer angeordnet sind, so dass eventuell erforderliche Schutzmaßnahmen, z. B. zum Schutz vor dem Kontakt mit dem Schmiermedium, vor dessen Eintritt in die entsprechende Komponente oder zur Erfüllung von Explosionsschutzanforderungen, bei den vorgenannten Komponenten entfallen können.

Unter diesen Aspekten kann es insbesondere zweckmäßig sein, die Antriebseinrichtung und die Lasterzeugungseinrichtung sowie empfindliche Sensoren außerhalb der Druckkammer anzuordnen.

Um auch bei der vorbeschriebenen Variante der vorliegenden Erfindung eine optimale Abdichtung der Druckkammer zu realisieren, kann gemäß einer nächsten Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Bewegungsübertragungsstrecke der Antriebseinrichtung und die Lastübertragungsstrecke der Lasterzeugungseinrichtung jeweils mit einer abgedichteten Durchführung in den Innenraum der Druckkammer geführt sind. Dabei können spezielle, dichtende Lagerungen bei der Bewegungsübertragungsstrecke und auch bei der Lastübertragungsstrecke verwendet werden, so dass eine Abdichtung bis über 10 bar Innendruck in der Druckkammer sichergestellt werden kann.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Antriebseinrichtung einen Elektromotor oder dergleichen umfasst, wobei eine Bewegungsübertragungsstrecke vorgesehen sein kann, bei der eine rotatorische Bewegung des Elektromotors vorzugsweise über einen Exzenter und eine Hubstange in eine etwa lineare Bewegung umgewandelt wird. Somit kann der Prüfkörper und der Gegenkörper relativ linear zueinander bzw. auch zum Schmiermedium bewegt werden.

Alternativ hierzu können jedoch auch andere Antriebe und weitere Bewegungsarten einer kontinuierlichen, diskontinuierlichen, linearen, rotatorischen oder oszillierenden Relativbewegung Anwendung finden.

Zur Lasteinleitung kann vorgesehen sein, dass die Lasterzeugungseinrichtung ein Spindelhubgetriebe oder dergleichen umfasst, welches mit einem Kraftkolben gekoppelt ist, der über die Halteeinrichtung mit einer vorbestimmten Kraft auf den Prüfkörper bzw. den Gegenkörper wirkt. Dabei kann eine Normalkraft in einer Größenordnung von z. B. 10.000 N oder kleiner oder höher aufgebracht werden. Es sind jedoch auch andere Elemente denkbar, um die Lasteinleitungsstrecke zu realisieren und die Kraft auf den Prüfkörper zu übertragen.

Eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von z. B. verschleißabhängigen Parametern, welche zweckmäßigerweise außerhalb der Druckkammer angeordnet sein kann, ist z. B. ein Kraftsensor, welcher ein Stangenelement oder andere Übertragungsmittel zum Erfassen einer an dem Prüfkörper auftretenden Reibkraft, Normalkraft und/oder Schmierspaltweite aufweist. Das Stangenelement kann über eine speziell abgedichtete Lagerung durch eine Durchführung einer Behälterwand der Druckkammer geführt werden, so dass kein Druckverlust durch eine Leckage bei der Durchführung durch die Druckkammerwand auftreten kann.

Je nach Art der verwendeten Sensoreinrichtungen kann auch ein Teil von gegenüber dem Medium in der Druckkammer nicht beständigen oder nicht explosionssicheren Sensorelementen außerhalb der Druckkammer und ein Teil entsprechend geschützter Sensorelemente innerhalb der Druckkammer angeordnet sein.

Eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine insbesondere an der Halteeinrichtung angeordnete Temperiereinrichtung zur Temperierung des Prüfkörpers und/oder des Mediums vorsehen. Auf diese Weise kann das Innere der Druckkammer und der Prüfkörper erwärmt oder auch gekühlt werden.

Wenn die Temperiereinrichtung als eine Heizung dient, welche z. B. mit einer Heizpatrone oder dergleichen ausgerüstet ist, ist diese zweckmäßigerweise so auszulegen, dass Medientemperaturen von etwa 250°C oder niedriger oder höher in der Druckkammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Weiteres möglich sind.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung näher anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
1 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur tribologischen Prüfung;
2 eine geschnittene Teilansicht gemäß 1; und
3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In den 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur tribologischen Prüfung eines Prüfkörpers schematisch dargestellt, welche an einem tischartigen Rahmengestell 10 gehalten ist.
Die Vorrichtung 1 weist eine Antriebseinrichtung 2 auf, welche einen Elektromotor 20 umfasst, dessen rotatorische Bewegungen über eine Bewegungsübertragungsstrecke auf einen relativ zu einem Prüfkörper 3 zu bewegenden Gegenkörper 30 übertragen werden. Die Bewegungsübertragungsstrecke ist mit einem Exzenter 4 und einer Hubstange 5 vorgesehen, womit eine etwa lineare Bewegung auf den Prüfkörper 3 übertragen wird. Bei der gezeigten Ausführung kann die Antriebseinrichtung 2 bei einer Frequenz von etwa ≤ 100 Hz eine Schwingweite von ≤ 10 mm an dem Prüfkörper 3 bewirken.
Ferner ist eine Halteeinrichtung 6 zum Halten des Prüfkörpers 3 und des Gegenkörpers 30 vorgesehen. Die Halteeinrichtung 6 ist insbesondere in den 2 und 3 näher gezeigt und weist eine obere Prüfkörperaufnahme 7 und eine untere Prüfkörperaufnahme 8 auf. Zur Übertragung der Bewegung der Hubstange 5 auf den Prüfkörper 3 ist die Hubstange 5 mit der oberen Prüfkörperaufnahme 7 gekoppelt.
Zum Aufbringen einer vorbestimmten Last auf den Prüfkörper 3 bzw. den Gegenkörper 30 zur Verschleißprüfung ist als weitere Komponente eine Lasterzeugungseinrichtung 9 vorgesehen. Die Lasterzeugungseinrichtung 9 umfasst ein Spindelhubgetriebe 31, welches mit einem Kraftkolben 11 gekoppelt ist, welcher eine Normalkraft von etwa 10.000 N auf die Halteeinrichtung 6 aufbringt. Dazu ist der Kraftkolben 11 wiederum mit der Halteeinrichtung 6 gekoppelt, so dass z. B. der von der Halteeinrichtung 6 gehaltene Gegenkörper 30 mit der vorbestimmten Kraft beaufschlagt wird.
Der Prüfkörper 3 sowie der Gegenkörper 30 sind mit der Halteeinrichtung 6 in einer die Prüfumgebung bildenden Druckkammer 15 angeordnet. Zur Zuführung eines Betriebsmediums bzw. Schmiermediums ist eine in die Druckkammer 15 mündende Zuführeinrichtung 12 vorgesehen.
Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, kann die Zuführeinrichtung 12 z. B. aus einem Behälter 13 das Schmiermedium über eine Membranpumpe 14 in die als Prüfumgebung vorgesehene Druckkammer 15 zuführen. Wie ebenfalls in 3 gezeigt, kann der Membranpumpe 14 ein Rückschlagventil 16, ein Mediumfilter 17 und ein 2-Wege-Kugelhahn 18 nachgeschaltet sein, wobei die Anordnungsreihenfolge variiert werden kann.
Erfindungsgemäß sind bei der insbesondere in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sämtliche sensiblen Komponenten, wie beispielsweise die Antriebtriebseinrichtung 2, die Lasterzeugungseinrichtung 9 und bestimmte Sensoreinrichtungen außerhalb der Druckkammer 15 vorgesehen, während nicht weiter benannte, geschützte Sensoreinrichtungen zumindest teilweise in der Druckkammer 15 angeordnet sind.
Die Bewegungsübertragungsstrecke der Antriebseinrichtung 2 und die Lastübertragungsstrecke der Lasterzeugungseinrichtung 9 werden jeweils über speziell abgedichtete Durchführungen in den Innenraum der Druckkammer 15 geführt.
In 3 ist aus dem Prinzipbild ersichtlich, dass ein Kraftsensor 19 zumindest teilweise im Innenraum der Druckkammer 15 vorgesehen ist. Der Kraftsensor 19 dient auf diese Weise als Kopplungsglied zwischen einem Kraftkolben 11 der Lasterzeugungseinrichtung 9 und der Halteeinrichtung 6.
Der mit dem Spindelhubgetriebe 31 gekoppelte Kraftkolben 11 der Lasterzeugungseinrichtung 9 weist zur Temperierung insbesondere des Prüfkörpers 3 eine Temperiereinrichtung 32 in Form einer Heizpatrone und eines Temperaturfühlers 21 zum Regeln der Temperatur auf.
Ferner ist an dem Kraftkolben 11 eine Reinigungsableitung 22 zum Ableiten des in dem Druckkammer 15 befindlichen Mediums vorgesehen, wobei die Reinigungsableitung 22 die Druckkammer 15 mit einem Auffangbehälter 23 verbindet. Zum Regeln des abführenden Mediumstromes ist in der Reinigungsableitung 22 vorliegend ein 3-Wege-Kugelhahn 24 und ein Überströmventil 25 vorgesehen.
Wie aus 3 ersichtlich, kann die Bewegungsübertragungsstrecke der Antriebseinrichtung 1 im Bereich der Hubstange 5 ein Schwingweiten-Meßsystem 26 zum Erfassen der Schwingweite der Hubstange 5 aufweisen.
Neben der Reinigungsableitung 22 kann auch eine Reinigungszuleitung 27 für die Druckkammer 15 vorgesehen sein, durch welche ein Reinigungsmedium in die Druckkammer 15 einströmen kann, wobei die Reinigungszuleitung 27 ebenfalls zum besseren Regeln des einströmenden Reinigungsmediums ein Ventil 28 aufweist.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist als Sensoreinrichtung weiterhin ein Druckaufnehmer 29 zur Sensierung des Innendruckes außerhalb der Druckkammer 15 angeordnet, wobei dessen Messfühler in die Druckkammer 15 geführt ist.
Zum Befüllen der Druckkammer 15 ist des Weiteren ein Stickstoffbehälter 33 über ein Rückschlagventil 34 und ein weiteres Ventil 35 mit dem Innenraum der Druckkammer 15 verbunden. Auf diese Weise kann bei einem zu hohen Sauerstoffgehalt ein Fluten der Druckkammer 15 mit z. B. Stickstoff realisiert werden, wobei der Sauerstoffgehalt kontinuierlich durch einen Sauerstoffsensor 36 gemessen wird. Der Sauerstoffsensor 36 kann einen Messfühler aufweisen, der sich ebenfalls im Innenraum der Druckkammer 15 befindet.
Die gezeigte Vorrichtung 1 zur tribologischen Prüfung des Prüfkörpers 3 ist in den Figuren als so genannter Hochtemperaturschwingungsverschleißprüfstand ausgebildet, an dem insbesondere Hochdruckerzeugungskomponenten von Brennkraftmaschinen geprüft werden können.

Claims

Vorrichtung zur tribologischen Prüfung eines Prüfkörpers (3), umfassend als Basiskomponenten eine Halteeinrichtung (6) zum Halten des Prüfkörpers (3), eine Antriebseinrichtung (2) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Prüfkörper (3) und einem Gegenkörper (30), eine Lasterzeugungseinrichtung (9) zum Aufbringen einer vorbestimmten Last auf den Prüfkörper (3), und eine Zuführeinrichtung (12) zum Zuführen eines Schmiermediums, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfumgebung eine mit Überdruck beaufschlagbare Druckkammer (15) vorgesehen ist, in der der Prüfkörper (3) an der Halteeinrichtung (6) und in Wirkverbindung mit den weiteren Basiskomponenten (2, 9) anordenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Basiskomponenten (2, 6, 9) in der abgedichteten Druckkammer (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoreinrichtung zumindest ein Kraftsensor (19) wenigstens teilweise im Innenraum der Druckkammer (15) vorgesehen ist, wobei der Prüfkörper (3) über den Kraftsensor (19) mit der Halteeinrichtung (6) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Antriebseinrichtung (2) und die Lasterzeugungseinrichtung (9) im Wesentlichen außerhalb der Druckkammer (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsübertragungsstrecke der Antriebseinrichtung (2) und eine Lastübertragungsstrecke der Lasterzeugungseinrichtung (9) jeweils mittels einer abgedichteten Durchführung in den Innenraum der Druckkammer (15) geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (2) einen Elektromotor (20) umfasst, dessen rotatorische Bewegung über einen Exzenter (4) und eine Hubstange (5) als Bewegungsübertragungsstrecke in eine wenigstens annähernd lineare Bewegung umwandelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasterzeugungseinrichtung (9) ein Spindelhubgetriebe (31) umfasst, welches mit einem Kraftkolben (11) gekoppelt ist, der auf die Halteeinrichtung (6) mit einer vorbestimmten Kraft wirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoreinrichtungen zum Erfassen von verschleißabhängigen Parametern außerhalb der Druckkammer (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoreinrichtung ein außerhalb der Druckkammer (15) angeordneter Kraftsensor vorgesehen ist, welcher ein Stangenelement zur Erfassung der an dem Prüfkörper auftretenden Reibkraft aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenelement aus der Druckkammer (15) über eine reibarmabgedichtete Durchführung geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass explosionsschutzsichere Sensoreinrichtungen innerhalb der Druckkammer (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere an der Halteeinrichtung (6) angeordnete Temperiereinrichtung (32) zur Temperierung des Prüfkörpers (3) und/oder des Mediums vorgesehen ist.