DE102004057462A1 - Cylindrical units`s measured data evaluating method, involves using three sensors fixedly arranged in support for two distance measurements in same plane of cylinder unit, and rotating support at angle alpha about longitudinal axis of unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a method for evaluating measured data the preamble of claim 1.
Die Vermessung zylindrischer Teile ist insbesondere für die Konstruktion und Fertigung von Verbrennungsmotoren von Bedeutung. Im klassischen Hubkolbenmotor wird der Arbeitsraum des Motors von einem Zylinderrohr gebildet, der durch Zylinderkopf und Kolben begrenzt wird. Der innerhalb des Zylinders angeordnete Kolben ist dabei mittels Kolbenringen gegen die Zylinderwand abgedichtet. Der Kolbenring füllt den Spalt zwischen Zylinder und Kolben, wobei dessen Füllvermögen im Betrieb des Motors einen wesentlichen Einfluss auf das Betriebsverhalten des Motors hat. Die Durchblasverluste, der Ölverbrauch und die Reibungsverluste hängen maßgeblich von den Dichtflächen der Kolbenringe zum Zylinder ab. Im Betrieb des Motors treten bei der Bewegung des Kolbens zusätzlich zur Hubbewegung sogenannte Kolbensekundärbewegungen auf, bei welchen sich der Kolben horizontal innerhalb des Zylinders außermittig verlagert oder innerhalb der Zylinderlaufbahn kippt. Weiterhin sind die Zylinderlaufbuchsen aufgrund der Fertigungstoleranzen und der im Betrieb auftretenden thermischen Verformungen nicht ideal kreiszylindrisch. Es treten Abweichungen von der Kreisform auf, welche als Zylinderverzug bezeichnet werden. Verzugsarme Zylinderrohre sind hinsichtlich des Dichtverhaltens, der Reibungswerte und des Verschleißes vorteilhaft. Für eine gute Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderwand wird eine Zylinderkontur angestrebt, die durch das Formfüllungsvermögen der Kolbenringe möglichst gut ausgeglichen werden kann. Hinsichtlich dieses Formfüllungsvermögens und der geometrischer Randbedingungen im Motor sind besonders Kreisformabweichungen der 2., 3. und 4. Ordnung relevant.The Measuring cylindrical parts is especially for the construction and manufacturing of internal combustion engines of importance. In the classic reciprocating engine the working space of the engine is formed by a cylindrical tube, which is limited by cylinder head and piston. The inside of the Cylinder arranged piston is opposed by means of piston rings sealed the cylinder wall. The piston ring fills the gap between cylinders and piston, wherein its filling capacity in operation the engine has a significant impact on the performance the engine has. The blow-through losses, the oil consumption and the friction losses hang decisively from the sealing surfaces the piston rings to the cylinder. In the operation of the engine join the movement of the piston in addition for lifting movement so-called piston secondary movements, in which the piston is eccentric horizontally within the cylinder displaced or tilts within the cylinder bore. Furthermore are the cylinder liners due to the manufacturing tolerances and in the Operation occurring thermal deformations not ideal circular cylindrical. There are deviations from the circular shape, which as cylinder distortion be designated. Low-distortion cylinder tubes are in terms of Dichtverhaltens, the friction values and wear advantageous. For one good seal between piston and cylinder wall becomes a cylinder contour sought by the form filling capacity of the Piston rings as possible can be well balanced. With regard to this form filling capacity and The geometric boundary conditions in the engine are especially circular deviations 2nd, 3rd and 4th order relevant.
Für die Konstruktion und Fertigung von verzugsarmen Zylinderrohren ist es daher notwendig, den Zylinderverzug vorzugsweise im Betrieb des Verbrennungsmotors zu ermitteln.For the construction and production of low-distortion cylinder tubes, it is therefore necessary to Cylinder distortion preferably during operation of the internal combustion engine determine.
Im Stand der Technik sind dafür verschiedene Vorrichtungen und Messverfahren vorbekannt. Eine Zusammenfassung der vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren findet sich in der Reihe Fortschritt-Berichte VDI Reihe 12, Nr. 469 von Olaf Josef. Insbesondere die inneren Messverfahren (beginnend ab S. 26 des genannten Berichtes), bei welchen Sensoren in den Kolben eingebracht werden und im Betrieb des Motors den Abstand zwischen Kolben und Lauffläche messen, sind hierbei zur Messung des Verzuges im dynamischen Motorbetrieb geeignet. Es sind verschiedene Arten von Sensoren, wie Taststifte, optische Sensoren und Hall-Sensoren beschrieben. In vorteilhafter Weise werden umfangsverteilt mehrere Sensoren angeordnet. Die aufgenommenen Abstandswerte können damit in einem nachfolgenden Auswerteverfahren in Abstandsänderungen aufgrund der Kolbensekundärbewegung und Abstandsänderungen aufgrund des Zylinderverzuges unterschieden werden. Problematisch ist bei allen Messverfahren, dass zur Messung des Zylinderverzuges eine sehr hohe Genauigkeit der Messvorrichtung und des Auswerteverfahrens gegeben sein muss, da der Zylinderverzug im Bereich weniger μm (typischer Messbereich < 50 μm) erfasst werden muss. Hierbei beeinflusst unter anderem die exemplarspezifische Streuung der Sensoren und die aufgrund der Verformung des Sensorträgers (Kolben oder Kolbenring oder gesondertes Trägerelement) hervorgerufenen Abweichungen die Messung.in the State of the art are for it various devices and measuring methods previously known. A summary The prior art devices and methods can be found in the Series Progress Reports VDI Series 12, No. 469 by Olaf Josef. Especially the internal measurement procedures (starting on page 26 of the above report), in which sensors are introduced into the piston and during operation of the engine measure the distance between the piston and the tread, are here to measure the delay in dynamic engine operation suitable. There are different types of sensors, such as styli, optical sensors and Hall sensors described. Advantageously, a plurality of circumferentially distributed Sensors arranged. The recorded distance values can thus in a subsequent evaluation procedure in distance changes due to the piston secondary movement and distance changes be distinguished due to the cylinder distortion. Problematic is in all measuring methods that for measuring the cylinder distortion one Very high accuracy of the measuring device and the evaluation method must be given because the cylinder distortion in the range of less microns (typical measuring range <50 microns) recorded must become. Among other things, this influences the specimen-specific variance the sensors and due to the deformation of the sensor carrier (piston or piston ring or separate carrier element) caused deviations the measurement.
Wird für die Messung nur ein Sensorelement genutzt (o. g. Fortschritt-Bericht S. 29), so ist die exemplarspezifische Streuung zwischen Sensoren nicht gegeben, es muss jedoch für die nacheinander erfolgenden, verschiedenen Messungen davon ausgegangen werden, dass die überlagerte Kolbensekundärbewegung in gleichen Betriebszuständen des Motors über den Verlauf der Messung gleich bleibt. Die Vorrichtung kann dabei durch das drehende Kolbenoberteil mit einem Sensor einen Großteil der Zylinderoberfläche abtasten, wobei jedoch die Messungen nacheinander durchgeführt werden müssen. Die Vorrichtung weist durch das drehende Kolbenoberteil einen hohen baulichen Aufwand auf.Becomes for the Measurement only one sensor element used (o.g., Progress report P. 29), the specimen-specific dispersion between sensors is not given, but it must be for the successive, different measurements are assumed be that superimposed Piston secondary movement in the same operating states the engine over the course of the measurement remains the same. The device can by the rotating piston upper part with a sensor a majority of cylinder surface However, the measurements are performed sequentially have to. The device has a high through the rotating piston upper part construction effort on.
Die Verwendung mehrerer umfangsverteilter Sensoren vereinfacht das Verfahren der Synthese von Zylinderverzug und Kolbensekundärbewegung aus den Abstandsmessungen. Es sind hierzu verschiedene Auswerteverfahren im Stand der Technik bekannt. Es wird beispielsweise die Annahme einer kreisrunden Referenzkontur beschrieben. Diese liegt in vorteilhafter Weise innerhalb der Zylinderkontur nahe dem unteren Totpunkt, da hier der Einfluss der Schraubverbindungen vernachlässigt und der Zylinderverzug auf temperaturproportionale Durchmessererweiterung vereinfacht werden kann. Die Beschreibung der Abweichung von der Kreisform wird allgemein üblich mittels einer Fourier-Analyse beschrieben, wie in Dunaevsky, V. V.: Analysis of distortions and conformability of piston rings. Tribology Transactions Band 33 (1990) Nr. 1, S. 33 – 40 bereits angegeben. Es wird die durch die Messdaten ermittelte Kontur mittels einer Fourier-Analyse nachgebildet und auf Basis einer Ordnungsanalyse der Fourier-Reihe kann aus den Messdaten die Kolbensekundärbewegung isoliert werden, da diese der ersten Ordnung der durch die Fourier-Analyse gewonnenen Funktion entspricht. Die Funktionsanteile erster Ordnung werden von den Messdaten subtrahiert und die Zylinderkontur kann anschließend aus den Koeffizienten der Fourier-Analyse höherer Ordnung synthetisiert werden.The use of multiple circumferentially distributed sensors simplifies the process of synthesis of cylinder distortion and secondary piston motion from the distance measurements. For this purpose, various evaluation methods are known in the prior art. For example, the assumption of a circular reference contour is described. This is advantageously within the cylinder contour near the bottom dead center, since the influence of the screw connections neglected and the cylinder distortion can be simplified to temperature-proportional diameter enlargement. The description of the deviation from the circular shape is generally described by means of a Fourier analysis, as in Dunaevsky, VV: Analysis of distortions and conformability of piston rings. Tribology Transactions Vol. 33 (1990) No. 1, pp. 33-40. The contour determined by the measured data is simulated by means of a Fourier analysis and, based on an order analysis of the Fourier series, the piston secondary motion can be isolated from the measured data since this corresponds to the first order of the function obtained by the Fourier analysis. The first order function components are subtracted from the measured data and the Cylinder contour can then be synthesized from the coefficients of higher-order Fourier analysis.
Problematisch an dem im Stand der Technik beschriebenen Auswerteverfahren ist die für die Verzugsmessung geforderte hohe Genauigkeit, die aufgrund der geringen Verzugswerte gemessen werden muss. Insbesondere die exemplarspezifischen Abweichungen der Einzelsensoren und deren Übertragungskette beeinflussen maßgeblich das Messergebnis. Es ist daher notwendig, die Messdatenerfassung und deren Auswertung insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit zu steigern und dabei Messfehler weitgehend zu vermeiden oder zu kompensieren.Problematic to the evaluation method described in the prior art the for the distortion measurement required high accuracy, due to the low distortion values must be measured. In particular, the copy-specific Deviations of the individual sensors and their transmission chain influence decisively the measurement result. It is therefore necessary to measure data acquisition and their evaluation in particular with regard to the accuracy of increase while largely avoiding or compensating for measurement errors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswertung von Messdaten zylindrischer Bauteile zu schaffen, welches den Verzug der Zylinderkontur insbesondere der 2., 3. und 4. Verzugsordnung mit hoher Genauigkeit ermittelt.Of the The invention is therefore based on the object, a method for evaluation of measuring data of cylindrical components to create, which the delay the cylinder contour, in particular the 2nd, 3rd and 4th order of delay determined with high accuracy.
Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren zur Messwerterfassung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is in generic method for measured value acquisition according to the invention by the characterizing Characteristics of claim 1 solved.
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird eine Messung innerhalb des Zylinders mit wenigstens drei in ihrer Relativlage fest zueinander angeordneten Sensoren vorgenommen, wobei in einer Messebene des Zylinders wenigstens zwei Messungen vorgenommen werden. Pro Messung werden die Abstandswerte aller auf dem Träger angeordneten Sensoren erfasst. Es wird nachfolgend mindestens eine weitere Messung durchgeführt, wobei der Vorteil der Erfindung darin besteht, dass die Messung um einen definierten Winkelwert versetzt zur ersten Messung in derselben Ebene des Zylinders erfolgt. Der Winkelwert, um welchen die Messungen versetzt sind, ist dabei ein ganzzahliges Vielfaches des Quotienten 360° durch die Anzahl k der Sensoren. Es wird damit erreicht, dass dieselbe Zylinderposition von einem zweiten Sensor hinsichtlich des Abstandes zum Sensor gemessen wird, wobei in der zweiten Messung ein anderer Sensor an derselben Position der Zylinderinnenwand den Abstand zu dieser aufnimmt. Auf Basis der zweiten Messung ist es möglich, die absoluten Sensorfehler relativ zueinander zu bestimmen. Dies bietet die Möglichkeit, insbesondere für die Bestimmung des Zylinderverzuges größer der ersten Ordnung, mit der Kenntnis der relativen Fehler der Sensoren zueinander, ein hochgenaues Messergebnis zu erhalten.According to the invention advantageous is a measurement within the cylinder with at least three in their Relative position made fixed to each other arranged sensors, wherein at least two measurements made in a measuring plane of the cylinder become. For each measurement, the distance values are all arranged on the carrier Sensors detected. Below is at least one more measurement carried out, the advantage of the invention is that the measurement offset by a defined angle value to the first measurement in the same Level of the cylinder takes place. The angle value around which the measurements are offset, is an integer multiple of the quotient 360 ° through the Number k of sensors. It is achieved with the same cylinder position measured by a second sensor in terms of the distance to the sensor is in the second measurement, another sensor on the same Position of the cylinder inner wall takes the distance to this. Based the second measurement it is possible to determine the absolute sensor errors relative to each other. This offers the possibility, especially for the determination of the cylinder distortion greater than the first order, with the knowledge of the relative errors of the sensors to each other, a highly accurate To obtain measurement result.
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird der Zylinderverzug als Verformungswert beschrieben, der sich ausgehend von der Mittelpunktlage des Zylinders aus der Summe des Abstandsmesswertes vom Mittelpunkt, dem Messfehler und einem Anteil aus der Exzentrizität des Sensorträgers zum Mittelpunkt zusammensetzt. Ausgehend von den Abstandsmessdaten wird die Sekundärbewegung des Kolbens und des daran angeordneten Sensorträgers aus den Messdaten rechnerisch eliminiert, indem die Kontur und deren Abweichung von der Kreisform mittels einer Fourier-Analyse beschrieben werden und der Anteil erster Ordnung, in welchem sich die Kolbensekundärbewegung wiederspiegelt, aus der Konturbeschreibung entfernt wird und die Weiterverarbeitung der Daten mittels einer aus den Anteilen höherer Ordnung synthetisierten Kontur erfolgt.According to the invention advantageous the cylinder distortion is described as a deformation value, which is starting from the center position of the cylinder from the sum of the Distance measurement from the center, the measurement error and a proportion from the eccentricity of the sensor carrier to the center. Based on the distance measurement data becomes the secondary movement of the piston and the sensor carrier arranged thereon from the measured data by calculation eliminated by the contour and its deviation from the circular shape be described by means of a Fourier analysis and the proportion first order, in which the piston secondary motion reflects the contour description is removed and the further processing of the Data synthesized by means of a higher-order fraction Contour takes place.
Erfindungsgemäß vorteilhaft werden die Daten im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine aufgenommen, wobei die Abstandswerte aller Sensoren in verschiedenen Ebenen des Zylinders aufgenommen werden und nachfolgend der Sensorträger um den Winkel Alpha verdreht wird und eine weitere Messreihe von Abstandsmesswerten in denselben Ebenen des Zylinders aufgenommen wird.According to the invention advantageous the data are recorded in the dynamic operation of the internal combustion engine, where the distance values of all sensors in different levels of the Cylinder are recorded and subsequently the sensor carrier to the Angle Alpha is twisted and another set of distance readings is recorded in the same planes of the cylinder.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.Further Details of the invention are described in the drawing with reference to FIG illustrated embodiments described.
Hierbei zeigen: in this connection demonstrate:
Für die Messung
n = 1 ergeben sich
Die Messungen erfolgen weiterhin in verschiedenen Messebenen, um dreidimensional den Zylinderverzug zu erfassen.The Measurements continue to take place in different measuring levels, in three dimensions to detect the cylinder distortion.
In
einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Bestimmung der absoluten
Messfehler der Sensoren relativ zueinander durch eine zweite, um
den Winkel Alpha versetzte Messung, wobei Alpha ein ganzzahliges
Vielfaches des Quotienten 360° durch die
Anzahl (k) der Sensoren (
- 11
- Zylindercylinder
- 1a1a
- Zylinderkontur kreisförmigcylinder contour circular
- 1b1b
- Zylinderkontur mit Verzug vierter Ordnungcylinder contour with fourth order default
- 22
- Kolbenpiston
- 33
- Sensorträgersensor support
- 44
- Sensorensensors
- vv
- Verformungdeformation
- ff
- Sensorfehlersensor error
- ee
- Exzentrizitäteccentricity
- ii
- Nummerierung der Sensorennumbering the sensors
- yy
- Anteil in y-Richtung der Exzentrizitätproportion of in y-direction of eccentricity
- xx
- Anteil in x-Richtung der Exzentrizitätproportion of in the x direction of the eccentricity
- nn
- Nummer der Messungnumber the measurement
- mm
- Abstandsmessungdistance measurement
- kk
- Anzahl der Sensorennumber the sensors
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