DE102004057462B4 - Method for the evaluation of measured data - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Auswertung von Messdaten zylindrischer Bauteile, bei welchen die Abweichung der gemessenen Kontur von der Kreisform ermittelt wird, wobei die Messdaten mittels einer Messvorrichtung aufgenommen werden, die folgenden Aufbau aufweist: – mindestens drei, innerhalb des Zylinders äquidistant zueinander angeordnete Sensoren, – die Sensoren sind relativ zueinander fest auf einem Sensorträger angeordnet, – die Sensoren messen den Abstand gegen die Innenwand der zylindrischen Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensoren (4) wenigstens zwei Abstandsmessungen (m1i, m2i) in der gleichen Ebene des zylindrischen Bauteils erfolgen, wobei der Sensorträger (3) mit den darauf angeordneten Sensoren (4) zwischen den Abstandsmessungen (m1i, m2i) um einen Winkel Alpha um die Längsachse des zylindrischen Bauteils verdreht wird, wobei der Winkel Alpha ein ganzzahliges Vielfaches des Quotienten 360° durch die Anzahl (k) der Sensoren (4) beträgt.Method for evaluating measured data of cylindrical components, in which the deviation of the measured contour from the circular shape is determined, the measured data being recorded by means of a measuring device having the following construction: - at least three sensors arranged equidistantly within the cylinder, - the sensors are arranged relative to one another firmly on a sensor carrier, - the sensors measure the distance against the inner wall of the cylindrical components, characterized in that by means of the sensors (4) at least two distance measurements (m1i, m2i) take place in the same plane of the cylindrical component, the sensor carrier (3) with the sensors (4) arranged thereon is rotated between the distance measurements (m1i, m2i) by an angle alpha about the longitudinal axis of the cylindrical component, the angle alpha being an integer multiple of the quotient 360 ° by the number (k ) of the sensors (4) is.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for evaluating measured data according to the preamble of
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 measurement of cylindrical parts is particularly important for the design and manufacture of internal combustion engines. In the classic reciprocating engine, the working space of the engine is formed by a cylinder tube, which is delimited by the cylinder head and piston. The arranged inside the cylinder piston is sealed by means of piston rings against the cylinder wall. The piston ring fills the gap between the cylinder and the piston, and its filling capacity during operation of the engine has a significant influence on the operating behavior of the engine. The blow-through losses, the oil consumption and the friction losses depend significantly on the sealing surfaces of the piston rings to the cylinder. During operation of the engine, in addition to the lifting movement, so-called secondary piston movements occur during the movement of the piston, in which case the piston displaces horizontally within the cylinder eccentrically or tilts within the cylinder bore. Furthermore, the cylinder liners are not ideal circular cylindrical due to the manufacturing tolerances and the thermal deformations occurring during operation. There are deviations from the circular shape, which are referred to as cylinder distortion. Low-distortion cylinder tubes are advantageous in terms of sealing behavior, friction values and wear. For a good seal between the piston and cylinder wall, a cylinder contour is sought, which can be compensated as well as possible by the shape filling capacity of the piston rings. With regard to this shape-filling capacity and the geometric boundary conditions in the engine, circularity deviations of the 2nd, 3rd and 4th order are particularly 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 determine the cylinder distortion preferably during operation of the internal combustion engine.
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 prior art, various devices and measuring methods for this purpose are previously known. A summary of the prior art devices and methods can be found in the series Progress Reports VDI
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.If only one sensor element is used for the measurement (see Progress Report p. 29), then the specimen-specific scattering between sensors is not given, but it must be assumed for the successive, different measurements that the superimposed second piston movement in the same operating states of the Motor remains the same over the course of the measurement. The device can scan through the rotating piston upper part with a sensor a large part of the cylinder surface, but the measurements must be performed sequentially. The device has by the rotating piston upper part on a high construction costs.
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, V. V .: 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 measurement data, and the cylinder contour can then be synthesized from the coefficients of Fourier higher-order analysis.
Aus Fujimoto, H., u. a.: Measurement of Cylinder Bore Deformation by means of a Turning Piston with a Gap Sensor during Engine Operation, JSME International Journal, Series 2, Vol. 34, No. 3, 1991, Seiten 391–396 und der Offenlegungsschriften
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.The problem with the evaluation method described in the prior art is the high accuracy required for the distortion measurement, which must be measured on the basis of the low distortion values. In particular, the sample-specific deviations of the individual sensors and their transmission chain significantly influence the measurement result. It is therefore necessary to increase the measurement data acquisition and its evaluation, in particular with regard to accuracy, 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.The invention is therefore based on the object to provide a method for evaluating measurement data of cylindrical components, which determines the delay of the cylinder contour, in particular the 2nd, 3rd and 4th default with high accuracy.
Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren zur Messwerterfassung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention in the generic method for measured value detection by the characterizing features of
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, a measurement is advantageously carried out within the cylinder with at least three sensors which are arranged fixedly relative to one another in their relative position, at least two measurements being made in a measuring plane of the cylinder. For each measurement, the distance values of all sensors arranged on the carrier are recorded. At least one further measurement is subsequently carried out, the advantage of the invention being that the measurement takes place by a defined angle value offset from the first measurement in the same plane of the cylinder. The angle value by which the measurements are offset is an integer multiple of the quotient 360 ° by the number k of the sensors. It is thus achieved that the same cylinder position is measured by a second sensor with respect to the distance to the sensor, wherein in the second measurement, another sensor at the same position of the cylinder inner wall takes the distance to this. Based on the second measurement, it is possible to determine the absolute sensor errors relative to each other. This offers the possibility, in particular 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 to obtain a highly accurate 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.Advantageously according to the invention, the cylinder distortion is described as a deformation value which, starting from the center position of the cylinder, is composed of the sum of the distance measurement value from the center, the measurement error and a component from the eccentricity of the sensor carrier to the center. Based on the distance measurement data, the secondary movement of the piston and the sensor carrier arranged thereon is mathematically eliminated from the measurement data by describing the contour and its deviation from the circular shape by means of a Fourier analysis and the first-order fraction in which the piston secondary motion is reflected the contour description is removed and the further processing of the data is carried out by means of a contour synthesized from the higher-order components.
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.Advantageously, according to the invention, the data are recorded in the dynamic operation of the internal combustion engine, wherein the distance values of all sensors are recorded in different planes of the cylinder and subsequently the sensor carrier is rotated by the angle alpha and another measurement series of distance measurement values 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 schematically illustrated embodiments.
Hierbei zeigen:Hereby show:
Für die Messung n = 1 ergeben sich
Das Gleichungssystem ist in sich überbestimmt. Die relativen Sensorfehler sind damit analytisch ermittelbar. Der Zylinderverzug, insbesondere größer der ersten Ordnung, ist durch die Kenntnis des absoluten Messfehlers der Sensoren relativ zueinander, mit hoher Genauigkeit ermittelbar. Die Verformungen v und die Exzentrizität e beschreiben den Zylinderverzug sehr genau, wobei die absoluten Messfehler der Sensoren relativ zueinander durch die zweite Messung kompensiert werden können.The equation system is over-determined in itself. The relative sensor errors can thus be determined analytically. The cylinder distortion, in particular greater than the first order, can be determined with high accuracy by knowing the absolute measurement error of the sensors relative to one another. The deformations v and the eccentricity e describe the cylinder distortion very accurately, whereby the absolute measurement errors of the sensors relative to each other can be compensated by the second measurement.
Die Messungen erfolgen weiterhin in verschiedenen Messebenen, um dreidimensional den Zylinderverzug zu erfassen.The measurements continue to be carried out in different measuring levels in order to record three-dimensional 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 (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zylindercylinder
- 1a1a
- Zylinderkontur kreisförmigCylindrical contour circular
- 1b1b
- Zylinderkontur mit Verzug vierter OrdnungCylinder contour with fourth order distortion
- 22
- Kolbenpiston
- 33
- Sensorträgersensor support
- 44
- Sensorensensors
- vv
- Verformungdeformation
- ff
- Sensorfehlersensor error
- ee
- Exzentrizitäteccentricity
- ii
- Nummerierung der SensorenNumbering of the sensors
- yy
- Anteil in y-Richtung der ExzentrizitätProportion in y-direction of the eccentricity
- xx
- Anteil in x-Richtung der ExzentrizitätProportion in the x direction of the eccentricity
- nn
- Nummer der MessungNumber of the measurement
- mm
- Abstandsmessungdistance measurement
- kk
- Anzahl der SensorenNumber of sensors
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Fujimoto, H. u.a.: Measurement of Cylinder Bore Deformation by means of a Turning Piston with a Gap Sensor during Engine Operation.. In: JSME International Journal, Vol. 34, (1991), Nr. 3, Seiten 391 - 396. * |
Fujimoto, H. u.a.: Measurement of Cylinder Bore Deformation by means of a Turning Piston with a Gap Sensor during Engine Operation.. In: JSME International Journal, Vol. 34, (1991), Nr. 3, Seiten 391 – 396. |
Josef, Olaf: Messung der dynamischen Zylinderdeformation in gefeuerten Verbrennungsmotoren. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12 Nr. 469. Düsseldorf: VDI Verlag 2001.ISBN 3-18-346912-X * |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |