DE102010055354B3

DE102010055354B3 - Verfahren und System zum Prüfen von geklebten Bauteilen im Kfz-Bereich Powertrain zur Ermittlung deren Alterungs- und Langzeitverhalten

Info

Publication number: DE102010055354B3
Application number: DE201010055354
Authority: DE
Inventors: Michael Minkow; Matthias Jäger; Özden Kaya; Matthias Schulenburg; Henning Gleich; Olaf Hoyer
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Prüfen von geklebten Bauteilen im Kfz-Bereich Powertrain zur Ermittlung deren Langzeitverhalten sowie zur Abschätzung deren Lebensdauer. Hierzu wird erfindungsgemäß eine Kombinationsprüfung mit nachstehender, aufeinanderfolgender Verfahrensschritte durchgeführt: 1) mehrere identisch hergestellte Prinzipbauteile (1) werden jeweils anstelle ein und desselben Motoranbauteils mit einer Flanschfläche (5) mit jeweils ein und demselben Ersatzkörper für ein Motorbauteil zu jeweils einem Prüfköper (7) verklebt und die Prüfkörper (7) werden dann zu mindestens einem Prüfkörperpaket (11) einer Prüfkörperanordnung (12) positioniert. 2) Die in dem mindestens einem Prüfkörperpaket (11) angeordneten Prüfkörper (7) der Prüfkörperanordnung (12 werden zumindest teilweise gleichzeitig über einen gleichen Zeitraum von innen und außen jeweils einer Ölkonditionierung bei gleich hoher Temperatur von maximal 150°C ausgesetzt. 3) Das mindestens eine Prüfkörperpaket (11) der Prüfkörperanordnung (12) wird mittels eines elektrodynamischen Schwingerregers (15) einer dynamischen Wechselbeanspruchung und gleichzeitig in einer mit dem Schwingerreger (15) gekoppelten Klimakammer (16) einer zyklisch im Bereich von –40°C bis 150°C wechselnden äußeren Temperatur ausgesetzt, wobei vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen durchgeführt werden (Zeitraffertest). 4) Die Prüfkörper (7) werden während einer festgelegten Prüfdauer in einer von der Klimakammer (16) räumlich getrennten Korrosionstestanlage (31) witterungsunabhängig mittels Salzwasser zyklisch einem Korrosionstest unterzogen, wobei vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen durchgeführt werden (Zeitraffertest). ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Prüfen von geklebten Bauteilen im Kfz-Bereich Powertrain zur Ermittlung deren Alterungs- und Langzeitverhalten.
Für den Einsatz von geklebten Bauteilen im Kfz-Motor-, Getriebe- und Fahrwerksbereich, dem sogenanten Kfz-Powertrain, ist es erforderlich, das Alterungsverhalten der geklebten Bauteile und damit deren Langzeitverhalten zu kennen. Mehrachsige Spannungszustände, resultierend aus mechanischen Beanspruchungen der Klebeverbindungen in Kombination mit der Einwirkung von Medien wie Feuchtigkeit, Kühlflüssigkeit, Kraftstoff und erhöhte Temperatur können zu einem vorzeitigen Versagen der Klebeverbindungen führen. Daher sind insbesondere Aussagen zur Lebensdauer der Klebeverbindungen gefordert.
Nur in seltenen Fällen werden Klebungen ausschließlich bei Normalbedingungen beansprucht. Aus diesem Grunde sind Prüfungen notwendig, die Aussagen über Einflüsse von Temperatur, Klima und/oder Dynamik zulassen. Üblich sind Alterungsuntersuchungen an genormten Prüfkörpern, vorwiegend an einschnittig überlappten Klebungen, die den zuvor genannten Einflüssen ausgesetzt und anschließend gemäß Normen/Prüfvorschriften geprüft werden. Als Maß für eingetretene Schädigungen gilt der Festigkeitsabfall des gealterten Prüfkörpers im Vergleich zu einer nicht gealterten Probe, der in Form von Abminderungsfaktoren dargestellt werden kann.
Aus der US 6,846,039 B2 ist es bekannt, bei Kfz-Glasfenster, deren Glasscheibe mittels zweikomponentigem Urethankleber mit der Kfz-Fensterhalterung aus Metall verklebt sind, die Festigkeit und die Belastbarkeit der Klebverbindungen von Glasscheiben und Fensterhalterungen im Wege verschiedener Alterungsprüfungen mittels Zug-, Spannungs-, Drehmoment-, Vibrations-, Scherfestigkeits-, Witterungs- und Fahrstreckentests zu prüfen. So werden vor der Prüfung der Klebfestigkeit zwischen Glasscheibe und Fensterhalterung aus Metall im Zugspannungstest die Kfz-Glasfensterelemente in einem Umwälzwasserbad einer Temperatur von 80°C zunächst 100 oder 500 Stunde eingetaucht gehalten und anschließend die Kfz-Glasfensterelemente jeweils einem Zugspannungstest in Stufen von 25,4 mm pro Minute ausgesetzt, wobei die maximal erreichbare Zugspannung registriert wird.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zum Prüfen der Qualität einer Klebeverbindung zweier Komponenten eines mechanischen Aufbaus ( US 2008/0011075 A1 ), bei dem zunächst der zu prüfende mechanische Aufbau aus Verbundmaterial gebildet wird, dann mindestens eine vorgefertigte Prüfvorrichtung vorgesehen wird, die eine der beiden Komponenten des mechanischen Aufbaus darstellt, darauf die mindestens eine vorgefertigte Prüfvorrichtung mit der anderen Komponente des mechanischen Aufbaus unter Bedingungen verbunden wird, die gleich den Bedingungen der realen Klebeverbindung der beiden Komponenten sind, worauf mindestens ein mechanischer Test mit der mindestens einen vorgefertigten Prüfvorrichtung durchgeführt wird, der eine Einschätzung der Qualität der Klebeverbindung ermöglicht.
Bekannt ist ferner ein Verfahren zum Prüfen der Haftfähigkeit einer Betonstruktur auf einer Stahlgrundplatte ( JP 2006 329 974 A ), bei dem zunächst ein Harzklebstoff auf einer analog nachgebildeten Stahlgrundplatte appliziert wird, dann Skelettelemente vorgesehen werden, die auf dem Harzklebstoff einen Prüfkörper bilden und die zumindest anschließend mit Beton, der als Prüfkörper verwendet wird, ausgefüllt werden, worauf eine Testrandplatte, die mit einer Vorrichtung zur Prüfung der Haftfähigkeit zusammenwirkt, auf die obere Fläche des Prüfkörpers vor Ablauf der vorgeschriebenen Materiallebensdauer, die geprüft werden soll, aufgebracht wird, worauf die Vorrichtung zur Prüfung der Haftfähigkeit an der Testrandplatte befestigt wird und die Prüfung der Haftfestigkeit sowohl nach Ablauf der vorgeschriebenen Materiallebensdauer als auch nach Entfernen eines Stützelementes durchgeführt wird.
Da Alterungstests unter realen Bedingungen zu aufwendig sind, werden zeitraffende Tests unter verschärfter Beanspruchung durch hygrothermische Umgebungsbedingungen bei fortlaufender mechanischer Prüfung durchgeführt, was jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv ist. Derartige Versuche lassen Vorhersagen der Lebensdauer auch nur bedingt zu, da keine ausreichenden Kennwerte für das Verhalten von Klebstoffen unter Belastung vorliegen.
Für das Langzeitverhalten einer Klebeverbindung sind folgende Faktoren bestimmend:

– das Alterungsverhalten der Klebstoffe,
– das zeitabhängige mechanische Verhalten und
– die Beständigkeit der Adhäsion unter dem Einfluss der zu erwartenden Umweltbedingungen.

Als Kenngrößen für das Festigkeitsverhalten einer Klebung sind die Festigkeitswerte entscheidend, die sich unter zeitabhängiger Beanspruchung bei den zuvor genannten Einwirkungen ergeben. Da diese Alterungsvorgänge in der Regel nur sehr langsam ablaufen, wird versucht, eine Alterungsbeschleunigung durch Erzeugung eines „Zeitraffereffektes” unter verschärften Bedingungen wie u. a. durch Temperaturerhöhung zu bewirken.
Zudem sind die bisherigen Prüfverfahren für gewöhnlich spezifisch auf das Bauteil und die vorgesehene Anwendung abgestimmt, d. h., ein allgemeingültiges Prüfverfahren zur Alterung ist bisher nicht verfügbar.

Um eine Aussage zum Langzeitverhalten von Klebungen zu erhalten, werden für gewöhnlich aus nachfolgender Tabelle ersichtlich genormte Prüfverfahren zur Bestimmung der Lebensdauer bzw. des Langzeitverhaltens von Klebeverbindungen herangezogen:

Prüfung	Normen/Methoden
Permanenter Salzsprühtest	DIN 50021
Zeitstand-/Dauerfestigkeit	DIN 53284
Flüssigkeitsbeständigkeit	DIN 53287
Klimabeständigkeit	DIN 54456
Schlagfestigkeit	DIN EN 29653
Dauerschwingfestigkeit	DIN EN ISO 9664
Salzsprühtest und Klimaeinlagerung (SK)	VDA 621-415
SK plus Klimawechseltest	Modifizierter VDA 621-415
Freibewitterung und Salzsprühphasen	VDA 621-414
Kälte- und Wärme mit definierter Feuchte	VW P 1200
Feuchtklimalagerung	Kataplasmatest
Test unter realen Fahrbedingungen	Korrosionsdauerläufe an Fahrzeugen

Die nachgestellten Alterungssimulationsverfahren nutzen zur Erzielung eines Zeitraffereffektes häufig erhöhte Lagertemperaturen oder ständigen korrosiven Angriff durch Feuchtigkeit und Salze, wobei es jedoch schnell zu Schadensvorgängen kommen kann, die in der Realität an den Bauteilen nicht auftreten werden. Zur Absicherung von kurzzeitigen Alterungstests ist es daher ratsam, zusätzlichen Langzeittests mit moderat schädigenden Einflüssen, z. B. Freibewitterungstests auch unter verschärften Bedingungen durchzuführen.
Neben einer dynamischen Belastung sind die Einflüsse von Feuchtigkeit, korrosionsfördernden Medien und Temperatur auf die verklebten Bauteile von entscheidender Bedeutung.
Unter dem Einfluss von Feuchtigkeit kommt es in der Polymermatrix zu Quellvorgängen, die eine negative Auswirkung auf Festigkeit und Verformungseigenschaften haben. Dieser Effekt kann durch eine gleichzeitig einwirkende Temperaturerhöhung verstärkt werden und entspricht dann einer praxisrelevanten „Feucht-Wärme”-Beanspruchung mit definierter Feuchtigkeitskonzentration (Wasserlagerung bzw. relative Feuchtigkeit) und Temperatur. Bei der Feuchtigkeitsdiffusion handelt es sich um einen reversiblen Prozess, der abhängig von einem gegebenenfalls vorhandenen Prüfzyklus ist. Bei zeitlich konstanter Feuchtigkeitseinwirkung werden zur Realisierung eines Gleichgewichtzustandes in der Regel mindestens 1000 Stunden Einwirkzeit vorgesehen. Je nach Vernetzungsgrad vermögen Polymere ca. 5% und mehr Wasser aufzunehmen. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang auch das unterschiedliche Quellverhalten der oberflächennahen „Lamellen” und der eigentlichen Polymermatrix.
Insbesondere eine gleichzeitige korrosive und feuchtigkeitsmäßige Beanspruchung verursacht einen besonders intensiven Angriff, der bereits in relativ kurzer Zeit zu erkennbaren Schädigungen in der Klebung führt. Der Schädigungsmechanismus beginnt an den Kanten der Klebefuge und kann durch Wärmezufuhr noch verstärkt werden. Die auftretenden Schädigungen sind irreversibel. Selbst nach Beendigung der Prüfzyklen verursachen in die Klebefuge eindiffundierte Chlorionen unter Feuchtigkeitseinfluss weitere Grenzflächenkorrosionen. In diesem Beanspruchungsfall ist das Korrosionsverhalten der Fügeteile von bedeutendem Einfluss, beispielsweise sind nicht legierte Stähle korrosionsanfälliger als Aluminiumlegierungen. Weiterhin ist die unterschiedliche Anfälligkeit von Oxidstrukturen auf den Oberflächen gegenüber feuchtigkeitsinduzierten hydrolytischen Reaktionen zu beobachten. Klebstoffe weisen wie alle Kunststoffe einen polymeren Aufbau auf und zeigen ein viskoelastisches Verhalten, eine langsame und ständig zunehmende Dehnung, das Kriechen. Dies führt nach einer bestimmten Zeit, abhängig von Temperatur, Spannung, Wassergehalt, Strahlung etc. zum Bruch. Hierbei lassen sich die Alterungsursachen in folgende Kategorien einteilen:

– Innere Alterungsursachen: thermodynamisch instabile Zustände (unvollständige Polymerisation, Eigen- oder Orientierungsspannungen u. a.).
– Äußere Alterungsursachen: chemische und physikalische Umgebungseinwirkungen.

Belastungseinflüsse, die zur Alterung von Polymerwerkstoffen beitragen, sind in 1 der Zeichnungen grafisch dargestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zum Prüfen von geklebten Bauteilen der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem unter Berücksichtigung klimatischer Einflüsse, Motordynamik und Ölbelastung der Klebeverbindungen der geklebten Bauteile eine effektive Alterungsbeschleunigung und Aussage zum möglichen Langzeitverhalten der geklebten Bauteile insbesondere im Kfz-Bereich Powertrain zu erzielen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination nachstehender, aufeinanderfolgender Verfahrensschritte:

– in einem ersten Schritt werden mehrere identisch hergestellte Prinzipbauteile jeweils anstelle ein und desselben Motoranbauteils mit einer Flanschfläche an jeweils einem und demselben Ersatzkörper für ein Motorbauteil zu jeweils einem Prüfkörper verklebt und die Prüfkörper werden dann zu mindestens einem Prüfkörperpaket einer Prüfkörperanaordnung positioniert,
– in einem zweiten Schritt werden die in dem mindestens einem Prüfkörperpaket angeordneten Prüfkörper der Prüfkörperanordnung zumindest teilweise gleichzeitig über einen gleichen Zeitraum von innen und außen einer Ölkonditionierung bei gleich hoher Temperatur von maximal 150°C ausgesetzt,
– in einem dritten Schritt wird das mindestens eine Prüfkörperpaket der Prüfkörperanordnung mittels eines elektrodynamischen Schwingerregers einer dynamischen Wechselbeanspruchung und gleichzeitig in einer mit dem Schwingerreger gekoppelten Klimakammer einer zyklisch im Bereich von –40°C bis 150°C wechselnden äußeren Temperatur ausgesetzt, wobei vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen durchgeführt werden,
– in einem vierten Schritt werden die Prüfkörper während einer festgelegten Prüfdauer in einer Korrosionstestanlage witterungsunabhängig mittels Salzwasser zyklisch einem Korrosionstest unterzogen, wobei vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen durchgeführt werden, und
– in einem fünften Schritt wird eine Anzahl nicht belasteter und belasteter identischer Prüfkörper aus Grauguss/glasfaserverstärktem Polyamid oder aus Aluminium/glasfaserverstärktem Polyamid in einem hydraulischen Prüfstand jeweils einem statischen Zugversuch bis zum Versagen zur Ermittlung der maximalen Festigkeit am Ende der jeweiligen Langzeitbelastung ausgesetzt, wobei die als Referenz statisch ermittelte mittlere Zugfestigkeit der nicht belasteten Prüfkörper aus Grauguss/glasfaserverstärktem Polyamid klebstoffabhängig 1,30 MPa und der aus Aluminium/glasfaserverstärktem Polyamid klebstoffabhängig 1,26 MPa beträgt.

Bevorzugt wird für die identischen Prinzipbauteile der Prüfkörper jeweils ein im Spritzgussverfahren aus zu 35% glasfaserverstärktem Polyamid hergestelltes Bauteil verwendet, das zum Verkleben am zugeordneten Ersatzkörper einen Flansch einer Mindestbreite von 9,5 mm für den Klebstoffauftrag und zusätzlich eine Fase von 2 × 1,5 mm zum Auffangen von überschüssigem Klebstoff aufweist und auf der zum Flansch gegenüberliegenden Rückseite mit Befestigungsrippen für eine Montage an einem hydraulischen Prüfstand versehen ist, wobei der jedem Prinzipbauteil zugeordnete Ersatzkörper des Prüfkörpers jeweils von einer genormten Grundplatte aus Grauguss oder einer Aluminium-Legierung gebildet wird, in der Kanäle für eine Ölspülung der Klebeverbindung des jeweiligen Prüfkörpers ausgebildet sind und die jeweiligen Einlass- sowie Auslassöffnungen der Kanäle in einen Ölkreislauf einer Ölkonditionierungsanlage integrierbar und so positioniert werden, dass sie nach dem Klebefügen von Ersatzkörper und Prinzipbauteil immer innerhalb der Flanschfläche des jeweiligen Prinzipbauteils liegen.
Vorzugsweise werden die Oberfläche des Klebebereiches der jeweiligen genormten Grundplatte aus Grauguss oder aus der Aluminium-Legierung und die Flanschfläche des jeweiligen zugeordneten Prinzipbauteils jeweils mit der gleichen Rauigkeit von Rz = 12 μm ausgebildet.
Im dritten Schritt der Kombinationsprüfung erfolgt die dynamische Wechselbeanspruchung des mindestens einen Prüfkörperpakets der Prüfkörperanordnung in vertikaler Richtung, wobei ein Lastvektor vom 22 kN bei einer maximalen Beschleunigung von 9 g entsprechend im Mittel 98,1 m/s² erzeugt wird, und die Temperaturwechselbelastung des mindestens einen Prüfkörperpakets der Prüfkörperanordnung vollzieht sich in der Klimakammer mit einem Temperaturgradienten von 1 K/min in dem Bereich von –40°C bis +150°C.
Bevorzugt werden sechs identische Prüfkörper, je drei übereinander und zwei nebeneinander zu zwei Prüfkörperpaketen zusammengebaut, dann auf einer Aufspannplatte des mit der verschließbaren Klimakammer koppelbaren elektrodynamischen Schwingerregers einer maximalen Anregungsfrequenz von 3000 Hz montiert und anschließend mechanischen Schwingungen einer Schwingungsfrequenz zwischen 200 und 220 Hz innerhalb der geschlossene Klimakammer ausgesetzt, wobei gleichzeitig mittels einer Förderpumpe ein einstellbarer Volumenstrom von in der Ölkonditionierungsanlage auf 150°C erhitztem Öl durch die im Ölkreislauf letzterer integrierten Kanäle jedes Prüfkörpers der beiden Prüfkörperpakete der Prüfkörperanordnung gefördert und die jeweilige Klebverbindung der Prüfkörper somit durch das heiße Öl von innen einer thermischen Belastung ausgesetzt werden, und wobei gleichzeitig jeder Prüfkörper der beiden Prüfkörperpakete der Prüfkörperanordnung in der geschlossenen Klimakammer von außen einer thermischen Belastung mit einer zyklisch im Bereich zwischen –40°C und 150°C geregelten Temperatur sowie einer geregelten relativen Feuchtigkeit ausgesetzt wird.
Bevorzugt wird die Prüfkörperanordnung bei einer Temperatur von 20°C in der Klimakammer auf dem elektrodynamischen Schwingerreger positioniert, worauf innerhalb eines geschlossenen Temperaturzyklus von 12 Stunden die Temperatur in der Klimakammer kontinuierlich 1 Kelvin pro Minute wie folgt verändert wird:

– zunächst wird innerhalb von 130 Minuten die Temperatur von 20°C linear auf 150°C erhöht und anschließend drei Stunden auf dieser Höhe gehalten,
– anschließend wird die Temperatur von 150°C innerhalb von 190 Minuten kontinuierlich auf –40^C abgekühlt und dann auf diesem Wert 100 Minuten gehalten,
– darauf wird die Temperatur von –40°C innerhalb von 60 Minuten linear auf die Raumtemperatur von 20°C erhöht und auf dieser Höhe 60 Minuten gehalten, und
– nachfolgend wird die Temperatur von 20°C innerhalb von 130 Minuten linear auf den Wert von 150°C erhöht.

Weiterhin kann im vierten Schritt der Kombinationsprüfung der witterungsunabhängige Korrosionstest der Prüfkörper mittels Salzsprühnebel über eine Laufzeit im Bereich von 96 bis 1000 Stunden erfolgen, wobei zyklisch nach 24 Stunden die Salzsprühnebelprüfung der Prüfkörper unterbrochen wird und letztere jeweils auf Korrosionsstellen untersucht werden. Für die Salzsprühnebelprüfung kann eine Konzentration einer Natriumchloridlösung von etwa 5% bei einem PH-Wert im Bereich von 6,5 bis 7,2 und bei einer Temperatur von 35°C Verwendung finden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe der Erfindung wird ebenso durch ein System zum Prüfen von geklebten Bauteilen wie solchen im Kfz-Bereich Powertrain zur Ermittlung deren Langzeitverhalten sowie zur Abschätzung deren Lebensdauer gelöst, das gekennzeichnet ist durch die Kombination

– eines auf einer Adapterplatte befestigten Prüfkörperaufbaus aus mindestens zwei im Abstand und parallel zueinander angeordneten Prüferkörperpakten, die jeweils mindestens zwei identische, gleich ausgerichtete Prüfkörper aufweisen, wobei jeder Prüfkörper jeweils ein im Spritzgussverfahren aus zu 35% glasfaserverstärktem Polyamid hergestelltes, ein Motoranbauteil symbolisierendes Prinzipbauteil mit einem Flansch und eine mit diesem verklebte, einen Ersatzkörper für ein Motorbauteil symbolisierende genormte Grundplatte aus Grauguss oder aus einer Aluminiumlegierung aufweist, in der jeweils ein Kanal für eine Ölspülung der Klebeverbindung des jeweiligen Prüfkörpers ausgebildet ist, wobei die Ein- und die Auslassöffnungen der Kanäle der Prüfkörper, die jeweils in den nebeneinander angeordneten Prüfkörperpaketen in gleicher Höhe in einer Prüfkörperanordnung positioniert sind, jeweils in derselben Ebene der Prüfkörperanordnung angeordnet sind,
– eines elektrodynamischen Schwingerregers, der für einen maximalen, vertikalen, linearen Hub von ±25,4 mm ausgelegt ist, dessen maximale Anregungsfrequenz 3000 Hz beträgt und der eine achszentrisch angeordnete Aufspannplatte aufweist, an der die Adapterplatte des Prüfköperaufbaus zentriert zu befestigen ist,
– einer mit dem elektrodynamischen Schwingerreger verkoppelbaren und dicht verschließbaren Klimakammer, in der der auf der Aufspannplatte des elektrodynamischen Schwingerregers mit der Adapterplatte zentrisch befestigte Prüfköperaufbau witterungsunabhängig für eine Temperaturwechselbehandlung aufzunehmen ist,
– einer außerhalb der mit dem elektrodynamischen Schwingerreger gekoppelten Klimakammer vorgesehenen Ölkonditionierungsanlage mit einem Ölkreislauf, der einen Ölaufnahmebehälter aufweist, an den eine Ölleitung angeschlossen ist, in der Öl mittels einer dem Ölaufnahmebehälter nachgeschalteten Förderpumpe über eine Ölheizung zu einem unmittelbar oberhalb der Klimakammer vorgesehenen ersten Schnellanschluss förderbar ist, an den eine in der Klimakammer geführte Ölversorgungsleitung anschließbar ist, an die die Einlassöffnung der Kanäle in der Grundplatte jedes Prüfkörpers der Prüfköperpakete des Prüfkörperaufbaus für eine Ölspülung der Klebeverbindung des jeweiligen Prüfkörpers mit heißem Öl anschließbar ist, und mit einer in der Klimakammer vorgesehenen Ölabführleitung, an die die Auslassöffnung der Kanäle der Grundplatte jedes Prüfkörpers der Prüfkörperpakte des Prüfkörperaufbaus zum Abführen des heißen Öls aus dem jeweiligen Prüfkörper anschließbar ist und die mit einem unterhalb der Klimakammer vorgesehenen zweiten Schnellanschluss verbindbar ist, an den eine Ölrückführleitung der Ölkonditionierungsanlage anschließbar ist, die zu einem Ölauffangbehälter letzterer geführt ist, aus dem über eine nachgeschaltete Pumpe für Ölrückführung das Öl aus dem Ölauffangbehälter den Ölkreislauf schließend in den Ölaufnahmebehälter der Ölkonditionierungsanlage rückzuführen ist,
– einer Korrosionstestanlage mit einer Korrosionskammer, in der die Prüfkörper der Prüfkörperanordnung nach der hochdynamischen Anregung in Verbindung mit der Temperaturwechselbelastung innerhalb der Klimakammer und nach der Umlaufspülung der Prüfkörper der Prüfkörperanordnung mit heißem Öl zyklisch Korrosionstests mit Salzwasser auszusetzen sind, und
– eines hydraulischen Prüfstandes, an dem die Prüfkörper jeweils mit an der Rückseite ihres Prinzipbauteils ausgebildeten Befestigungsrippen für abschließende statische Zugversuche zur Ermittlung der Endfestigkeit jedes Prüfkörpers montierbar sind.

Die Korrosionskammer der Korrosionstestanlage kann von der Ölkonditionierungsanlage und von der mit dem elektrodynamischen Schwingerreger gekoppelten Klimakammer getrennt angeordnet sein. Jedoch kann auch nur eine Kammer, die mit dem elektrodynamischen Schwingerreger gekoppelt ist, sowohl die Klimakammer, als auch die Korrosionskammer der Korrosionstestanlage bilden, wobei diese eine Kammer zeitlich unterschiedlich entsprechend für den Klimatest oder für den Korrosionstest zu belasten ist.
Ein bevorzugter Prüfkörperaufbau weist sechs Prüfkörper, je drei übereinander und zwei nebeneinander auf, wobei die jeweils drei übereinander vorgesehenen Prüfkörper jeweils zu einem Prüfkörperpaket zusammengebaut sind und die sich somit ergebenden zwei nebeneinander angeordneten Prüfkörperpakete jeweils auf der Adapterplatte des Prüfkörperaufbaus fest positioniert sind, die an der Aufspannplatte des elektrodynamischen Schwingerregers zu montieren ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System ermöglichen in effektiver Weise eine integrierte Prüfung auf thermische, mechanische, korrosive und mediale Belastungen von geklebten Bauteilen insbesondere von solchen im Kfz-Bereich Powertrain. Da eine derartige Prüfung mit Originalbauteilen aus Kosten- und Aufwandsgründen nicht angebracht ist, finden für diese Untersuchungen gemäß der Erfindung im Spritzgussverfahren gefertigte Prinzipbauteile aus z. B. zu 35% glasfaserverstärktem Polyamid als Model für Anbauteile am Motor Verwendung, die jeweils mit einer genormten Grundplatte aus Grauguss oder aus einer Aluminium-Legierung, die einen Ersatzkörper für ein Motorbauteil darstellt, zu einem Prüfkörper verklebt wird.
Durch das erfindungsgemäße Kombinationsprüfverfahren ist es praxisnah möglich, die sich gegenseitig beinflussenden Schädigungsmechanismen zu identifizieren, die auftreten, wenn einer Klebeverbindung zwischen dem Zylinderkurbelgehäuse und der Ölwanne eines Kfz Schwingungen, die aus dem Motorlauf und aus der Fahrdynamik ausgehen, sowie thermischen Beanspruchungen, die einerseits durch äußere klimatische Einflüsse und andererseits durch innere Belastung hervorgerufen werden, die aus überhitztem Motoröl im Falle eines dauerhaft einer vollen Last ausgesetzten Motors herrühren, und zusätzlich verschärften Witterungs-, Alterungs- und Chemikalienbelastungen ausgesetzt wird. Bei dem sich an diese kombinierte Belastung der stoffschlüssigen Verbindung anschließende Zugversuch können dann ein eventueller Festigkeitsabfall der Klebeverbindung ermittelt und Aussagen zum Langzeitverhalten und der Lebensdauer der Klebeverbindung gemacht werden.
Das erfindungsgemäße System zum Prüfen von geklebten Bauteilen im Kfz-Bereich Powertrain gewährleistet eine effektive konstruktive Auslegung einer Ölkonditionierung z. B. für eine gleichzeitige Kombinationsprüfung von vorzugsweise sechs geklebten Prüfkörpern derart, dass bei einer durchgehenden dynamischen Belastung keine Wechselwirkung mit den heißes Öl zuführenden Ölleitungen auftritt, keine Ölkontamination der Umgebung stattfindet, jeder Prüfkörper mit der gleichen Temperatur Von ca. 150°C durchspült wird und dabei kein bzw. nur zulässiger Überdruck auf die Klebeverbindung des jeweiligen Prüfkörpers der Prüfkörperanordnung wirkt.
Die integrative Konstruktion von sechs geklebten Prüfkörpern des Prüfkörperaufbaus ermöglicht dessen gewichtsreduzierte Bauweise mit einer symmetrischen Ausrichtung auf dem elektrodynamischen Schwingerreger und damit eine betriebssichere Prüfung.
Die Ölversorgung des Prüfkörperaufbaus kann mit zwei symmetrisch angeordneten Schläuchen erfolgen. Die kraftflussoptimierte Anbindung hat den Vorteil, dass keine signifikanten Wechselwirkungen auftreten. Durch Anpassung der Leitungsquerschnitte wird der Volumenstrom der Ölkonditionierung gleichmäßig gehalten. Durch Vorsehen eines zentralen Ölanschlusses und gleicher Versorgungslängen kann die Temperarturverteilung in den Prüfkörpern annähernd gleich gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
2 eine perspektivische Darstellung eines Prinzipbauteils eines Prüfkörpers, seitlich von schräg oben gesehen auf die einen umlaufenden Flansch aufweisende Oberseite des Prinzipbauteils,
3 eine perspektivische Darstellung des Prinzipbauteils nach 2, seitlich von schräg oben gesehen auf die mit Befestigungsrippen versehene Rückseite des Prinzipbauteils,
4 einen perspektivische Darstellung des Prüfkörpers, bestehend aus dem Prinzipbauteil gemäß 2 und 3 und einer mit dem umlaufenden Flansch des Prinzipbauteils verklebten genormten Grundplatte, gesehen von schräg oben, als Ersatz für eine miteinander verklebte Ölwanne und ein Kfz-Zylinderkurbelgehäuse,
5 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte genormte Grundplatte des Prüfkörpers mit Kanälen für den Ölzulauf und den Ölablauf bei der Ölspülung mit heißem Öl,
6 eine perspektivische Darstellung eines Prüfkörperaufbaus mit zwei in diesem parallel zueinander positionierten Prüfkörperpaketen aus jeweils drei übereinander angeordneten Prüfkörpern, gesehen von von schräg oben,
7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zum Prüfen von geklebten Bauteilen, aus der die die Verfahrensschritte der Kombinationsprüfung ersichtlich sind, und
8 eine perspektivische Darstellung einer Ölverteilerplatte des Prüfkörperaufbaus nach 6,
9 eine perspektivische Darstellung eines Ölableitblocks des Prüfkörperaufbaus nach 6 und
10 ein Diagramm, aus dem der Verlauf der Kraft-Dehnungs-Kurve von drei Referenz-Prinzipbauteilen aus einem Grauguss/glasfaserverstärktem Polyami-Verbund hervorgeht,
Aus den 2 und 3 geht ein Prinzipbauteil 1 hervor, das als Modell eines Anbauteils am Motor wie z. B. einer Ölwanne dient. Das Prinzipbauteil 1 ist im Spritzgussverfahren aus zu 35% glasfaserverstärktem Polyamid hergestellt und weist, wie in 1 zu sehen, an einer Seite einen Flansch 2 auf, wobei sich die Flanschbreite an der Geometrie eines originalen Motoranbauteils orientiert. Im gegebenen Fall weist der Flansch 2 eine Mindestbreite von 9.5 mm und zusätzlich eine Fase 3 an der Innenseite von 2 × 1,5 mm auf. Diese Fase 3 an der Innenseite dient zum Auffangen von aus der Fuge beim Verkleben des Prinzipbauteils 1 gepresstem Klebstoff und wirkt sich zudem positiv auf die Innendruckbeständigkeit aus. Wie aus 3 hervorgeht, sind auf der Rückseite des Prinzipbauteils 1 Befestigungsrippen 4 ausgebildet, die eine einfache Montage des Prinzipbauteils 1 an einem hydraulischen Prüfstand ermöglichen und eine gleichmäßige Krafteinleitung auf der Klebefläche gewährleisten.
Wie 4 zeigt, wird das Prinzipbauteil 1 an der Flanschfläche 5 mit einer genormten Grundplatte 6, die als Ersatzkörper für ein Motorbauteil wie ein Zylinderkurbelgehäuse dient, zu einem Prüfkörper 7 verklebt. Die Grundplatte 6 kann aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein und die Abmessungen 300 × 160 × 20 mm aufweisen.
Gemäß 5 sind in die genormte Grundplatte 6 Kanäle 8 gebohrt, so dass nach dem Verkleben von Prinzipbauteil 1 und Grundplatte 6 zu dem Prüfkörper 7 dessen Klebenaht mit Hilfe einer Ölspülung von innen mit Öl belastet werden kann. Die Einlassöffnung 9 und die Auslassöffnung 10 der Kanäle 8 der genormten Grundplatte 6 sind so positioniert, dass sie nach dem Klebfügen immer innerhalb der Flanschfläche 5 des Prinzipbauteils 1 liegen. Weiterhin ist die Oberfläche des Klebebereiches der Grundplatte 6 so bearbeitet, dass die Rauigkeit R = 12 μm beträgt. Dieser Wert entspricht der Rauigkeit der Flanschfläche eines Zylinderkurbelgehäuses.
Vor dem Kleben werden die Metalloberflächen der Grundplatte 6 und die Flanschfläche 5 des Flansches 2 aus Polyamid des Prinzipbauteils 1 gründlich gereinigt, um die Benetzbarkeit des Prüfkörpers 7 positiv zu beeinflussen. Insbesondere Spritzgussteile weisen verfahrensbedingt Trennmittelrückstände auf, die einer guten Benetzung entgegenwirken und daher entfernt werden müssen.
Die Herstellung des Prüfkörpers 7, insbesondere der Klebauftrag, hat einen sehr großen Einfluss auf die Güte der Klebung. Um eine gute Reproduzierbarkeit des Klebauftrags zu gewährleisten, wird zur Applikation ein Roboter benutzt, wobei der Klebstoffauftrag auf den Flansch 2 des Prinzipbauteils 1 aus Polyamid erfolgt. Durch feste Einspannung des Prinzipbauteils 1 und entsprechende Programmierung des Robotors ist die Wiederholgenauigkeit hinsichtlich Positionierung, Appliziergeschwindigkeit und Klebstoffmenge der Klebraupe zu gewährleisten. Zum Füge von Prinzipbauteils 1 und Grundplatte 6 wird eine Abstandshaltevorrichtung benutzt, um eine Mindestdicke von ca. 0,5 mm der Klebstoffschicht einzustellen.
Die Applikation erfolgt unter Verwendung eines dynamischen Mischers und des Roboters. Der Klebstoff wird mit einer 5 mm-Düse bei einer konstanten Auftragsleistung von ca. 2 g/s bei variabler Bahngeschwindigkeit aufgetragen, um die Auswirkung der Abweichungen zwischen der Ist-Kontur und Soll-Kontur des Bauteils durch spaltüberbrückende, dickere Klebstoffschichten zu minimieren.
Da die Aushärtezeit für die Prüfkörper 7 bei mindestens bei einer Woche liegt, kann eine Belastung der Klebeverbindung der Prüfkörper 7 frühestens danach erfolgen.
Aus 6 geht ein bevorzugter Prüfkörperaufbau 12 mit zwei in diesem parallel zueinander positionierten Prüfkörperpaketen 11 aus jeweils drei übereinander angeordneten Prüfkörpern 7 hervor, wobei die beiden parallel nebeneinander angeordneten Prüfkörperpakete 11 auf einer Adapterplatte 13 des Prüfkörperaufbaus 12 positioniert sind.
7 zeigt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße System zum Prüfen von geklebten Bauteilen wie solchen im Kfz-Bereich Powertrain, bei dem der Prüfkörperaufbau 12 in der Ausführungsform nach 6 mit sechs Prüfkörpern 7, je drei übereinander und zwei nebeneinander, vorgesehen ist, die zu den beiden parallel nebeneinander positionierten Prüfkörperpaketen 11 zusammengebaut und auf der Adapterplatte 13 des Prüfkörperaufbaus 12 positioniert sind, mit der dieser an einer Aufspannplatte 14 eines elektrodynamischen Schwingerregers 15 befestigt ist. Der elektrodynamische Schwingerreger 15 ist für einen maximalen, vertikalen, linearen Hub von +/–25,4 mm ausgelegt, und die maximale Anregungsfrequenz beträgt 3000 Hz.
Wie 7 zeigt, ist der elektrodynamische Schwingerreger 15 mit einer Klimakammer 16 gekoppelt, in der der Prüferkörperaufbau 12 mit den sechs Prüfkörpern 7 angeordnet ist und die dicht zu verschließen ist.
Die mit dem erfindungsgemäßen System gemäß 7 durchgeführte Kombinationsprüfung beinhaltet eine gleichzeitige Prüfung der Klebeverbindung der sechs Prüfkörper 7 des Prüfkörperaufbaus 12 unter dem Einfluss:

– einer dynamischen Wechselbeanspruchung
– einer Heißölbelastung von bis zu 150°C auf die innere Seite der Klebeverbindung der sechs Prüfkörper 7
– einer zyklisch wechselnden äußeren Temperatur von –40C bis 150°C
– eines zyklischen Korrosionstests und anschließend
– eines statischen Zugversuches an einem hydraulischen Prüfstand.

Bei der dynamischen Wechselbeanspruchung werden für die mechanische Schwingungsanregung Anregungsfrequenzen von 20 Hz bis 440 Hz durchlaufen. Die Schwingungsamplituden liegen zwischen 5,1 g und 28,6 g. Die sechs Prüfkörper 7 des Prüfkörperaufbaus 12 werden der höchsten Beschleunigung zwischen 200 Hz und 220 Hz ausgesetzt. Die maximale Auslenkung beträgt bei den niedrigen Frequenzen 3,17 mm.
Die Klebeverbindung der sechs Prüfkörper 7 des Prüfkörpers 12 wird weiterhin in der Klimakammer 16 des Systems gemäß 7 wie unter realen Bedingungen bei einem Motor auf der Innenseite thermisch beansprucht, wobei bevorzugt vollsynthetisches Hochleistungs-Leichtöl aus einem Ölkreislauf einer außerhalb der Klimakammer 16 vorgesehenen Ölkonditionierungsanlage 17 verwendet wird. Dieser Ölkreislauf weist, wie 7 zeigt, einen Ölaufnahmebehälter 18 auf, an den eine Ölzuführungsleitung 19 angeschlossen ist, über die mittels einer dem Ölaufnahmebehälter 18 nachgeschalteten Förderpumpe 20 das Öl nach Aufheizung in einer der Förderpumpe 20 nachgeschalteten Ölheizung 22 an einem unmittelbar oberhalb der Klimakammer 16 vorgesehenen ersten Schnellanschluss 21 der Ölzuführungsleitung 19 bereitgestellt. An den unmittelbar oberhalb der Klimakammer 16 vorgesehenen ersten Schnellanschluss 22 ist eine in der Klimakammer 16 vorgesehene Ölversorgungsleitung 23 anschließbar, die mit der Einlassöffnung 9 der Kanäle 8 in der genormten Grundplatte 6 jedes Prüfkörpers 7 der beiden Prüfkörperpakete 11 des Prüfkörperaufbaus 12 für die Ölspülung der Klebeverbindung jedes Prüfkörpers 7 mit heißem Öl zu verbinden ist. Die Auslassöffnung 10 der Kanäle 8 der genormten Grundplatte 6 jedes Prüfkörpers 7 der beiden Prüfkörperpakete 11 des Prüfkörperaufbaus 12 ist mit einer in der Klimakammer 16 vorgesehenen Ölabführleitung 24 verbunden, die an einen unmittelbar unterhalb der Klimakammer 16 vorgesehenen zweiten Schnellanschluss 25 einer im Ölkreislauf der Ölkonditionierungsanlage 17 integrierten Ölrückführleitung 26 zum Abführen des heißen Öls aus der Klimakammer 16 anschließbar ist.
Da die Kanäle 8 in der genormten Grundplatte 6 jedes Prüfkörpers 7 offen sind, funktioniert der Ablauf des heißen Öls aus dem Prüfkörperaufbau 12 gravimetrisch. Über die an den zweiten Schnellanschluss 24 unterhalb der Klimakammer 16 angeschlossene Ölrückführleitung 26 wird das aus dem Prüfkörperaufbau 12 und der Klimakammer 16 abgeführte heiße Öl in einen Ölauffangbehälter 27 befördert, in dem sich das verwirbelte Öl wieder beruhigen kann. Mittels einer dem Ölauffangbehälter 27 nachgeschalteten Pumpe 28 für Ölrückführung ist das beruhigte Öl dann aus dem Ölauffangbehälter 27 in den Ölaufnahmebehälter 18 der Ölkonditionierungsanlage 17 zurückzuführen, womit der Ölkreislauf letzterer geschlossen ist. Die Ölumlaufspülung erfolgt bei einer Temperatur von 150°C, so dass die innere Seite jeder Klebeverbindung der zu den zwei Prüfkörperpaketen 11 positionierten sechs Prüfkörper 7 des Prüfkörperaufbaus 12 einer Heißölbelastung bis zu 150°C ausgesetzt ist.
Die in der Klimakammer 16 geführte Ölversorgungsleitung 23 kann mit einer in 9 dargestellten Ölverteilerplatte 29 verbunden sein, über die eine zentrale Ölversorgung der Einlassöffnungen 9 der Kanäle 8 der genormten Grundplatten 6 der Prüfkörper 7 der beiden Prüfkörperpakete 11 des Prüfkörperaufbaus 12 gegeben ist.
Weiterhin kann der Prüfkörperaufbau 12 einen Ölleitblock 30 aufweisen, wie er in 9 zu sehen ist. Bei Verwendung des Ölleitblockes 30 im Prüfkörperaufbau 12 kommuniziert die jeweilige Auslassöffnung 10 der Kanäle 8 jeder genormten Grundplatte 6 der beiden in der untersten Ebene des Prüfkörperaufbaus 12 in den beiden Prüfkörperpaketen 11 positionierten Prüfkörper 7 mit der Ölabführleitung 24 in der Klimakammer 16 strömungsmäßig.
Im vierten Schritt der erfindungsgemäßen Kombinationsprüfung werden die Prüfkörper 7 – wie aus 7 ersichtlich ist – in eine von der Klimakammer 16 räumlich getrennte Korrosionstestanlage 31 überführt. Dort werden die Prüfkörper 7 während einer festgelegten Prüfdauer in einer Korrosionskammer 32 witterungsunabhängig mittels Salzwasser oder Salzsprühnebel zyklisch einem Korrosionstest unterzogen. Hierbei werden vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen in Form eines Zeitraffertests durchgeführt.
Im fünften Schritt der erfindungsgemäßen Kombinationsprüfung werden die Prüfkörper 7 statischen Prüfungen auf einer Prüfmaschine eines hydraulischen Prüfstandes 33 unterzogen, um die maximale Festigkeit jedes Prüfkörpers 7, d. h. jedes Verbunds aus Klebstoff und Ersatzgeometrie nach der Langzeitbelastung am Ende der jeweiligen Prüfung zu bestimmen. Hierbei ist von Wichtigkeit, dass der jeweilige Prüfkörper 7 möglichst querkraftfrei und ohne nennenswerte Zug- bzw. Druckbelastung an der Prüfmaschine des hydraulischen Prüfstandes 33 montiert wird.
Nach jeweils einer Woche der Aushärtung der Verklebung jedes Prüfkörpers 7, d. h. des Verbunds aus Klebstoff und Ersatzgeometrie erfolgt gemäß der erfindungsgemäßen Kombinationsprüfung immer zuerst in der Klimakammer 16 die Ölumlaufspülung mittels der außerhalb der Klimakammer 16 vorgesehenen Ölkonditionieranlage 17, dann ebenfalls in der Klimakammer 16 der elektrodynamische Schwingerreger/Klimatest und anschließend in einer getrennt von der Klimakammer 16 vorgesehenen Korrosionstestanlage 31 der Temperaturwechseltest nach VDA mit doppelter Lauflänge. Nach dem kompletten zyklischen Ablauf der Kombinationsprüfung werden die Prüfkörper 7 dann mit dem hydraulischen Test in dem hydraulischen Prüfstand 33 zur Beurteilung ihrer Festigkeit nach Belastung auseinander gezogen. Einige Prüfkörper 7 werden schon nach zwei Zyklen statisch auf ihre Festigkeit geprüft.

In der nachfolgenden Tabelle ist beispielhaft ein Prüfplan mit Zyklenmessungen wiedergegeben:

Bezeichnung der Messung	Aushärtung/Wochen	Ölumlaufspülung/Wochen	Shaker-Klima-Test/Wochen	VDA-Wechseltest/Wochen	MTS statisch zerstörend/Anzahl der Proben
Referenz komplett R	1	6	6	12	3 (Messung nach einem Durchlauf)
Referenz 1/2R1/2	1	3	3	6	3 (Messung nach einem Durchlauf)
1/6 Short R1/6	1	1	1	2	12 (Messung nach Zyklus 2, 3, 4 und 6)
					Gesamtanzahl 18 + 3 als Referenz

Zur Bestimmung der Anfangsfestigkeit werden die klebstoffabhängigen statischen Festigkeitswerte der Prüfkörper 7 in Form des Grauguss/glasfaserverstärkten Polyamid-Verbunds und des Aluminium/glasfaserverstärkten Polyamid-Verbunds bestimmt.
Aus dem Diagramm gemäß 10, das den Verlauf der Kraft-Dehnungs-Kurve von Prüfkörpern 7 aus Grauguss/glasfaserverstärktem Polyamid zeigt, geht die jeweilige Kraft-Dehnungskurve für drei nicht belastete Prüfkörper 7 GGRefo-1; GGRefo-2 und GG-Refo-3 hervor. Die als Referenz jeweils an jeweils drei nicht belasteten Prüfkörpern 7 statisch ermittelte mittlere Zugfestigkeit betrug für die Prüfkörper 7 aus Grauguss/glasfaserverstärktem Polyamid klebstoffabhängig 1,30 MPa sowie für die Prüfkörper 7 aus Aluminium/glasfaserverstärktem Polyamid klebstoffabhängig 1,26 MPa. Diese statisch ermittelten Werte mittlerer Zugfestigkeit liegen in dem für die Bauteil-Anforderungen zulässigen Festigkeitsbereich.
Bezugszeichenliste

1: Prinzipbauteil
2: Flansch
3: Fase
4: Befestigungsrippen
5: Flanschfläche
6: genormte Grundplatte
7: Prüfkörper
8: Kanäle in der genormten Grundplatte
9: Einlassöffnung der Kanäle
10: Auslassöffnung der Kanäle
11: Prüfköperpaket
12: Prüfkörperaufbau
13: Adapterplatte des Prüfkörperaufbaus
14: Aufspannplatte
15: elektrodynamischer Schwingerreger
16: Klimakammer
17: Ölkonditionierungsanlage
18: Ölaufnahmebehälter
19: Ölzuführungsleitung
20: Förderpumpe
21: Ölheizung
22: erster Schnellverschluss
23: Ölversorgungsleitung
24: Ölabführleitung
25: zweiter Schnellanschluss
26: Ölrückführleitung
27: Ölauffangbehälter
28: Pumpe für Ölrückführung
29: Ölverteilerplatte
30: Ölleitblock
31: Korrosionstestanlage
32: Korrosionskammer
33: hydraulischer Prüfstand

Claims

Verfahren zum Prüfen von geklebten Bauteilen im Kfz-Bereich Powertrain zur Ermittlung deren Langzeitverhalten sowie zur Abschätzung deren Lebensdauer, – gekennzeichnet durch die Kombination nachstehender, aufeinanderfolgender Verfahrensschritte: – in einem ersten Schritt werden mehrere identisch hergestellte Prinzipbauteile jeweils anstelle ein und desselben Motoranbauteils mit einer Flanschfläche mit jeweils ein und demselben Ersatzkörper für ein Motorbauteil zu jeweils einem Prüfköper verklebt und die Prüfkörper werden dann zu mindestens einem Prüfkörperpaket einer Prüfkörperanordnung positioniert, – in einem zweiten Schritt werden die in dem mindestens einem Prüfkörperpaket angeordneten Prüfkörper der Prüfkörperanordnung zumindest teilweise gleichzeitig über einen gleichen Zeitraum von innen und außen jeweils einer Ölkonditionierung bei gleich hoher Temperatur von maximal 150°C ausgesetzt, – in einem dritten Schritt wird das mindestens eine Prüfkörperpaket der Prüfkörperanordnung mittels eines elektrodynamischen Schwingerregers einer dynamischen Wechselbeanspruchung und gleichzeitig in einer mit dem Schwingerreger gekoppelten Klimakammer einer zyklisch im Bereich von –40°C bis 150°C wechselnden äußeren Temperatur ausgesetzt, wobei vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen durchgeführt werden, – in einem vierten Schritt werden die Prüfkörper während einer festgelegten Prüfdauer in einer von der Klimakammer räumlich getrennten Korrosionstestanlage witterungsunabhängig mittels Salzwasser zyklisch einem Korrosionstest unterzogen, wobei vergleichende Messungen mit verkürzten Prüfzeiten, aber unter Erhöhung der Anzahl der Prüfzyklen durchgeführt werden, und – in einem fünften Schritt wird eine Anzahl nicht belasteter und belasteter identischer Prüfkörper aus Grauguss/glasfaserverstärktem Polyamid oder aus Aluminium/glasfaserverstärktem Polyamid in einem hydraulischen Prüfstand jeweils einem statischen Zugversuch bis zum Versagen zur Ermittlung der maximalen klebstoffabhängigen Festigkeit am Ende der jeweiligen Langzeitbelastung ausgesetzt, wobei die als Referenz statisch ermittelte mittlere Zugfestigkeit der Prüfkörper aus Grauguss/glasfaserverstärktem Polyamid klebstoffabhängig 1,30 MPa und der aus Aluminium/glasfaserverstärktem Polyamid klebstoffabhängig 1,26 MPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die identischen Prinzipbauteile der Prüfkörper jeweils ein im Spritzgussverfahren aus zu 35% glasfaserverstärktem Polyamid hergestelltes Bauteil verwendet wird, das zum Verkleben am zugeordneten Ersatzkörper einen Flansch einer Mindestbreite von 9,5 mm für den Klebstoffauftrag und zusätzlich eine Fase von 2 × 1,5 mm zum Auffangen von überschüssigem Klebstoff aufweist und auf der zum Flansch gegenüberliegenden Rückseite mit Befestigungsrippen für eine Montage an einem hydraulischen Prüfstand versehen ist, wobei der jedem Prinzipbauteil zugeordnete Ersatzkörper des Prüfkörpers jeweils von einer genormten Grundplatte aus Grauguss oder einer Aluminium-Legierung gebildet wird, in der Kanäle für eine Ölspülung der Klebeverbindung des jeweiligen Prüfkörpers ausgebildet sind und die jeweiligen Einlass- und Auslassöffnungen der Kanäle in einen Ölkreislauf einer Ölkonditionierungsanlage integrierbar und so positioniert werden, dass sie nach dem Klebefügen von Ersatzkörper und Prinzipbauteil immer innerhalb der Flanschfläche des jeweiligen Prinzipbauteils liegen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Klebebereiches der jeweiligen genormten Grundplatte aus Grauguss oder aus der Aluminium-Legierung und die Flanschfläche des jeweiligen zugeordneten Prinzipbauteils jeweils mit der gleichen Rauigkeit von Rz = 12 μm ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Schritt die dynamische Wechselbeanspruchung des mindestens einen Prüfkörperpakets der Prüfkörperanordnung in vertikaler Richtung erfolgt, wobei ein Lastvektor von 22 kN bei einer maximalen Beschleunigung von 9 g entsprechend im Mittel 98,1 m/s² erzeugt wird, und die Temperaturwechselbelastung des mindestens einen Prüfkörperpakets der Prüfkörperanordnung in der Klimakammer mit einem Temperaturgradienten von 1 K/min in dem Bereich von –40°C bis + 150°C erfolgt.
Verfahren nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sechs identische Prüfkörper, je drei übereinander und zwei nebeneinander zu zwei Prüfkörperpaketen der Prüfkörperanordnung zusammengebaut werden und dann diese auf einer Aufspannplatte des mit der verschließbaren Klimakammer koppelbaren elektrodynamischen Schwingerregers einer maximalen Anregungsfrequenz von 3000 Hz montiert und anschließend mechanischen Schwingungen einer Schwingungsfrequenz zwischen 200 und 220 Hz innerhalb der geschlossene Klimakammer ausgesetzt wird, wobei gleichzeitig mittels einer Förderpumpe ein einstellbarer Volumenstrom von in der Ölkonditionierungsanlage auf 150°C erhitztem Öl durch die im Ölkreislauf letzterer integrierten Kanäle jedes Prüfkörpers der beiden Prüfkörperpakete der Prüfkörperanordnung gefördert und die jeweilige Klebverbindung der Prüfkörper somit durch das heiße Öl von innen einer thermischen Belastung ausgesetzt wird, und wobei gleichzeitig jeder Prüfkörper der beiden Prüfkörperpakete der Prüfkörperanordnung in der geschlossenen Klimakammer von außen einer thermischen Belastung mit einer zyklisch im Bereich zwischen –40°C und 150°C geregelten Temperatur sowie einer geregelten relativen Feuchtigkeit ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörperanordnung bei einer Temperatur von 20°C in der Klimakammer auf dem Schwingerreger positioniert wird und dann innerhalb eines geschlossenen Temperaturzyklus von 12 Stunden die Temperatur in der Klimakammer kontinuierlich 1 Kelvin pro Minute wie folgt verändert wird: – zunächst wird innerhalb von 130 Minuten die Temperatur von 20°C linear auf 150°C erhöht und anschließend drei Stunden auf dieser Höhe gehalten, – anschließend wird die Temperatur von 150°C innerhalb von 190 Minuten kontinuierlich auf –40^C abgekühlt und dann auf diesem Wert 100 Minuten gehalten, – darauf wird die Temperatur von –40°C innerhalb von 60 Minuten linear auf die Raumtemperatur von 20°C erhöht und auf dieser Höhe 60 Minuten gehalten, und – nachfolgend wird die Temperatur von 20°C innerhalb von 130 Minuten linear auf den Wert von 150°C erhöht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt der witterungsunabhängige Korrosionstest der Prüfkörper mittels Salzsprühnebel über eine Laufzeit im Bereich von 96 bis 1000 Stunden erfolgt, wobei zyklisch nach 24 Stunden die Salzsprühnebelprüfung der Prüfkörper unterbrochen wird und letztere jeweils auf Korrosionsstellen untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Salzsprühnebelprüfung eine Konzentration einer Natriumchloridlösung von 5% bei einem PH-Wert im Bereich von 6,5 bis 7,2 und einer Temperatur von 35°C verwendet wird.
System zum Prüfen von geklebten Bauteilen im Kfz-Bereich Powertrain zur Ermittlung deren Langzeitverhalten sowie zur Abschätzung deren Lebensdauer, gekennzeichnet durch die Kombination – eines auf einer Adapterplatte (13) befestigten Prüfkörperaufbaus (12) aus mindestens zwei im Abstand und parallel zueinander angeordneten Prüferkörperpakten (11), die jeweils mindestens zwei identische, gleich ausgerichtete Prüfkörper (7) aufweisen, wobei jeder Prüfkörper (7) jeweils ein im Spritzgussverfahren aus zu 35% glasfaserverstärktem Polyamid hergestelltes, ein Motoranbauteil symbolisierendes Prinzipbauteil (1) mit einem Flansch (2) und eine mit diesem verklebte, einen Ersatzkörper für ein Motorbauteil symbolisierende genormte Grundplatte (6) aus Grauguss oder aus einer Aluminiumlegierung aufweist, in der jeweils Kanäle (8) für eine Ölspülung der Klebeverbindung des jeweiligen Prüfkörpers (7) ausgebildet sind, wobei die Ein- und die Auslassöffnungen (9; 10) der Kanäle (8) der Prüfkörper (7), die jeweils in den nebeneinander angeordneten Prüfkörperpaketen (11) in gleicher Höhe in der Prüfkörperanordnung (12) positioniert sind, jeweils in derselben Ebene der Prüfkörperanordnung (12) angeordnet sind, – eines elektrodynamischen Schwingerregers (15), der für einen maximalen, vertikalen, linearen Hub von ±25,4 mm ausgelegt ist, dessen maximale Anregungsfrequenz 3000 Hz beträgt und der eine achszentrisch angeordnete Aufspannplatte aufweist, an der die Adapterplatte (13) des Prüfköperaufbaus (12) zu befestigen ist, – einer mit dem elektrodynamischen Schwingerreger (15) koppelbaren und dicht verschließbaren Klimakammer (16), in der der auf der Aufspannplatte (14) des elektrodynamischen Schwingerregers (15) mit der Adapterplatte (13) zentrisch befestigte Prüfköperaufbau (12) witterungsunabhängig für eine Temperaturwechselbehandlung aufzunehmen ist, – einer außerhalb der mit dem elektrodynamischen Schwingerreger (15) gekoppelten Klimakammer (16) vorgesehenen Ölkonditionierungsanlage (17) mit einem Ölkreislauf, der einen Ölaufnahmebehälter (18) aufweist, an den eine Ölzuführungsleitung (19) angeschlossen ist, in der Öl mittels einer dem Ölaufnahmebehälter (18) nachgeschalteten Förderpumpe (20) über eine Ölheizung (21) zu einem unmittelbar oberhalb der Klimakammer (16) vorgesehenen ersten Schnellanschluss (22) förderbar ist, an den eine in der Klimakammer (16) geführte Ölversorgungsleitung (23) anschließbar ist, an die die Einlassöffnung (9) der Kanäle (8) der genormten Grundplatte (6) jedes Prüfkörpers (7) der Prüfköperpakete (11) des Prüfkörperaufbaus (12) für eine Ölspülung der Klebeverbindung jedes Prüfkörpers (7) mit heißem Öl anschließbar ist, und mit einer in der Klimakammer (16) vorgesehenen Ölabführleitung (24), an die die Auslassöffnung (10) der Kanäle (8) der genormten Grundplatte (6) jedes Prüfkörpers (7) der Prüfkörperpakte (11) des Prüfkörperaufbaus (12) zum Abführen des heißen Öls aus dem jeweiligen Prüfkörper (7) anschließbar und die mit einem unterhalb der Klimakammer (16) vorgesehenen zweiten Schnellanschluss (25) verbindbar ist, an den eine Ölrückführleitung (26) der Ölkonditionierungsanlage (17) anschließbar ist, die zu einem Ölauffangbehälter (27) letzterer geführt ist, aus dem über eine nachgeschaltete Pumpe (28) für Ölrückführung das Öl aus dem Ölauffangbehälter (27) den Ölkreislauf schließend in den Ölaufnahmebehälter (18) der Ölkonditionierungsanlage (17) rückzuführen ist, – einer Korrosionstestanlage (31) mit einer Korrosionskammer (32), in der die Prüfkörper (7) der Prüfkörperanordnung (12) nach der hochdynamischen Anregung in Verbindung mit der Temperaturwechselbelastung in der Klimakammer (16) und nach der Umlaufspülung der Probekörper (7) der Prüfkörperanordnung (12) mit heißem Öl zyklisch Korrosionstests mit Salzwasser auszusetzen sind, und – eines hydraulischen Prüfstands (33), an dem die Prüfkörper (7) jeweils mit an der Rückseite ihres Prinzipbauteils (1) ausgebildeten Befestigungsrippen (4) für abschließende statische Zugversuche zur Ermittlung der klebstoffabhängigen Endfestigkeit jedes Prüfkörpers (7) befestigbar sind.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Klimakammer (16) geführte Ölversorgungsleitung (23) mit einer Ölverteilerplatte (29) des Prüfkörperaufbaus (12) verbunden ist, über die eine zentrale Ölversorgung der Einlassöffnungen (9) der Kanäle (8) der genormten Grundplatten (6) der Prüfkörper (7) der beiden Prüfkörperpakete (11) des Prüfkörperaufbaus (12) gegeben ist, und dass der Prüfkörperaufbau (12) einen Ölableitblock (30) aufweist, über den die jeweilige Auslassöffnung (10) der Kanäle (8) jeder genormten Grundplatte (6) der beiden in der untersten Ebene des Prüfkörperaufbaus (12) in den beiden Prüfkörperpaketen (11) positionierten Prüfkörper (7) mit der Ölabführleitung (26) in der Klimakammer (16) strömungsmäßig kommuniziert.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionskammer (32) der Korrosionstestanlage (31) von der Ölkonditionierungsanlage (17) und der mit dem elektrodynamischen Schwingerreger (15) gekoppelten Klimakammer (16) getrennt angeordnet ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem elektrodynamischen Schwingerreger (15) gekoppelte Klimakammer (16) und die Korrosionskammer (32) der Korrosionstestanlage (31) ein und dieselbe Kammer sind, die jedoch zeitlich unterschiedlich entsprechend für den Klimatest und für den Korrosionstest zu belasten ist.