DE102020209244A1

DE102020209244A1 - Test device for testing test items, preferably brake discs, using shock waves

Info

Publication number: DE102020209244A1
Application number: DE102020209244.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Wernecke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prüfvorrichtung (1) zur Prüfung von Prüflingen (7), bevorzugt von Bremsscheiben, mittels Schockwellen. Hierzu sind eine Prüflingsaufnahme (8) und Elektroden (5) in einem flüssigen Trägermedium (2) angeordnet, wobei die Elektroden (5) mit einem Hochvoltsystem (3) verbunden sind, wobei die Schockwellen mittels der Elektroden (5) durch einen elektrohydraulischen Effekt erzeugbar sind, wobei die Elektroden (5) ringförmig angeordnet sind, um einen ringförmigen Prüflingsbereich zu prüfen.The invention relates to a testing device (1) for testing test specimens (7), preferably brake discs, using shock waves. For this purpose, a test specimen holder (8) and electrodes (5) are arranged in a liquid carrier medium (2), the electrodes (5) being connected to a high-voltage system (3), the shock waves being able to be generated by means of the electrodes (5) by means of an electrohydraulic effect are, wherein the electrodes (5) are arranged in a ring to test a ring-shaped area under test.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Prüfung von Prüflingen, bevorzugt von Bremsscheiben, mittels Schockwellen und ein Prüfverfahren mit einer derartigen Prüfvorrichtung.The invention relates to a testing device for testing test specimens, preferably brake discs, using shock waves and a testing method using such a testing device.

Zerstörende Prüfverfahren von Bremsscheiben werden mittels Schwungmassenprüfständen durchgeführt, wobei die Prüflinge in Kombination mit Bremsbelägen, Bremszangen und einer Bremshydraulik zerstörend geprüft werden. Dies ist zeit- und kostenintensiv und führt aufgrund des Verschleißes und der Varianz, insbesondere bei den Bremsbelägen, zu streuenden Messergebnissen. Haftzugversuche werden verwendet, um eine Schichthaftung zu bestimmen. Diese stoßen jedoch an Grenzen, wenn die Schichthaftung des Prüflings höher ist als die erzielbare Haftzugfestigkeit im Versuchsaufbau.Destructive testing of brake discs is carried out using flywheel test benches, whereby the test specimens are tested in combination with brake pads, brake calipers and brake hydraulics. This is time-consuming and costly and leads to scattering measurement results due to the wear and the variance, especially in the case of the brake pads. Pull-off tests are used to determine layer adhesion. However, these reach their limits when the layer adhesion of the test specimen is higher than the achievable tensile bond strength in the test setup.

Aus der DE 100 53 481 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsprüfung eines elektrischen Bauteils bekannt, das zur Qualitätsprüfung eines elektrischen Bauteils, insbesondere eines Kondensators und solcher heterogen aufgebauter Bauteile, die im Inneren mechanische Verbindungen aufweisen, fokussierte Schockwellen in einem schalleitenden Medium auf das zu prüfende Bauteil richten. Die Stoßwellen werden auf thermohydraulischem Weg erzeugt und weisen bevorzugt einen Fokusdurchmesser von weniger als 2 mm auf. Hierdurch können Lötungen und Schweißungen in einem räumlich eng begrenzten Bereich schädigungsfrei oder auch zerstörend geprüft werden.From the DE 100 53 481 A1 a method and a device for quality testing of an electrical component are known, which, for quality testing of an electrical component, in particular a capacitor and such heterogeneously structured components that have internal mechanical connections, direct focused shock waves in a sound-conducting medium onto the component to be tested. The shock waves are generated thermo-hydraulically and preferably have a focus diameter of less than 2 mm. As a result, soldering and welding can be tested in a spatially limited area without damage or even destructively.

Es ist weiterhin durch die DE 10 2009 034 314 B4 eine materialselektive Zerlegung eines Brennstoffzellenstacks mittels Schockwellen in einem Wasservolumen bekannt, wobei die Schockwellen mittels elektrischen Impulsentladungen erzeugt werden, die zwischen zwei Elektroden oder aber zwischen einer Elektrode und dem Brennstoffzellenstack eingebracht werden.It continues through the DE 10 2009 034 314 B4 a material-selective decomposition of a fuel cell stack by means of shock waves in a volume of water, the shock waves being generated by means of electrical pulse discharges which are introduced between two electrodes or between an electrode and the fuel cell stack.

Insbesondere Bremsscheiben mit neuartigen Beschichtungen oder mit Auftragsschweißungen sind mit den bekannten Schwungmassenprüfständen und Haftzugversuchen nicht zufriedenstellend zu prüfen.In particular, brake discs with new types of coatings or with build-up welds cannot be satisfactorily tested with the known flywheel mass test benches and adhesion tests.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Prüfvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass Bremsscheiben mit geringem Zeit- und Kostenaufwand und mit einer hohen Reproduzierbarkeit getestet werden können.Against this background, the invention is based on the object of designing a testing device of the type mentioned at the outset in such a way that brake discs can be tested with little expenditure of time and money and with a high degree of reproducibility.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Prüfvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a testing device according to the features of patent claim 1. The subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.

Erfindungsgemäß ist also eine Prüfvorrichtung vorgesehen, die durch Schockwellen, die durch elektrische Impulsladungen mittels des elektrohydraulischen Effekts erzeugt werden und über ein flüssiges Trägermedium von Elektroden auf einen Prüfling übertragen werden, den Prüfling verschleißt oder zerstört.According to the invention, therefore, a test device is provided which wears out or destroys the test specimen by means of shock waves which are generated by electrical impulse charges by means of the electrohydraulic effect and are transmitted from electrodes to a test specimen via a liquid carrier medium.

Der Prüfling ist hierzu in einem Prüfbereich der Prüfvorrichtung angeordnet. Die Elektroden sind ringförmig in der Prüfvorrichtung in einem flüssigen Trägermedium angeordnet und mit einem Hochvoltsystem verbunden, um einen ringförmigen Prüflingsbereich zu prüfen. Die Elektroden sind derart angeordnet, dass die Elektrodenköpfe, also die Ausgangspunkte der gepulsten Funkenentladung, in dieselbe Richtung weisen. Die ringförmig angeordneten Elektroden bilden einen Satz Elektroden. Unter ringförmig wird insbesondere kreisförmig verstanden, wobei eine Ringform auch von der idealen Kreisform abweichen kann; sie kann also z. B. auch oval sein.For this purpose, the test object is arranged in a test area of the test device. The electrodes are arranged in a ring in the testing device in a liquid carrier medium and connected to a high-voltage system in order to test a ring-shaped area under test. The electrodes are arranged in such a way that the electrode heads, i.e. the starting points of the pulsed spark discharge, point in the same direction. The electrodes arranged in a ring form a set of electrodes. Annular is understood to mean in particular circular, with an annular shape also being able to deviate from the ideal circular shape; she can e.g. B. also be oval.

Eine Überprüfung eines Schichtaufbaus und einer Schichthaftung von auf einer Bremsscheibe aufgebrachten Schichten wird in Kombination mit einer systematischen Bewertung von Schadbildern ermöglicht. Eine Ermittlung von Wahrscheinlichkeiten zur Bewertung einer funktionalen Sicherheit derartiger Schichten wird realisiert.A layer structure and layer adhesion of layers applied to a brake disc can be checked in combination with a systematic evaluation of damage patterns. A determination of probabilities for evaluating a functional safety of such layers is realized.

Der Satz Elektroden wird in der Ringform der Reihe nach angesteuert. Die Elektroden werden also umlaufend angesteuert oder mit einem elektrischen Impuls versorgt, wobei jede Elektrode bevorzugt nur eine Schockwelle erzeugt. Die Elektroden werden nach einem Umlauf erneut mit einem elektrischen Impuls versorgt bevorzugt bis zur Zerstörung des Prüflings. Hierbei ist unter der Zerstörung des Prüflings das Auftreten von erheblichen Fehlern oder eines relevanten Verschleißes zu verstehen, sodass der Prüfling am Beispiel der Bremsscheibe austauschbedürftig wäre. Vor dem Erreichen dieses Zustands kann das Prüfverfahren zur Begutachtung des Prüflings unterbrochen werden. Der Prüfling wird zumindest auf einer ringförmigen Fläche mittels Schockwellen durch einen Lasteintrag zyklisch thermomechanisch belastet, wodurch ein Verschleiß, insbesondere einer Bremsscheibe, in einfacher Weise und kurzer Prüfungsdauer besonders praxisnah bei einer hohen Reproduzierbarkeit erzeugt werden kann, auch in Hinblick darauf, dass thermomechanische Wechselbelastungen ein Auslöser für Rissbildung und Rissfortschritt im Reibring der Bremsscheibe sind. Hierzu sind die Elektroden einzeln an Ausgänge des Hochvoltsystems angeschlossen, sie sind also einzeln mit elektrischer Spannung versorgbar.The set of electrodes are sequentially driven in the ring shape. The electrodes are therefore driven in a circumferential manner or supplied with an electrical impulse, with each electrode preferably only generating one shock wave. After one revolution, the electrodes are again supplied with an electrical impulse, preferably until the test specimen is destroyed. The destruction of the test specimen is understood to mean the occurrence of significant errors or relevant wear and tear, so that the test specimen would need to be replaced using the example of the brake disc. Before this state is reached, the test procedure for assessing the test object can be interrupted. The test specimen is cyclically loaded thermomechanically at least on an annular surface by means of shock waves through a load application, whereby wear, in particular of a brake disc, can be generated in a simple manner and in a short test duration, particularly practically with a high level of reproducibility, also with regard to the fact that thermomechanical alternating loads Triggers for crack formation and crack propagation in the friction ring of the brake disc. For this purpose, the electrodes are connected individually to outputs of the high-voltage system, so they can be supplied with electrical voltage individually.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, jeweils einen Satz Elektroden beidseits einer Prüflingsaufnahme anzuordnen, die so angesteuert werden, dass jeweils zwei koaxial angeordnete Elektroden zeitgleich mit Spannung versorgt werden. Es wird eine Belastung einer Bremsscheibe im Einsatz besonders weitgehend nachempfunden oder simuliert. Es hat sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, jeden Satz Elektroden jeweils mit einem eigenen Hochvoltsystem zu verbinden. Vorteilhafterweise kann hierdurch auf lange Hochspannungsleitungen verzichtet werden.It has turned out to be advantageous to arrange a set of electrodes on both sides of a test specimen receptacle, which are controlled in such a way that two coaxially arranged electrodes are supplied with voltage at the same time. A load on a brake disk in use is particularly extensively modeled or simulated. It has proven to be advantageous here to connect each set of electrodes to its own high-voltage system. Advantageously, long high-voltage lines can be dispensed with as a result.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden eines Satzes zueinander und auch mit ihren Elektrodenköpfen zu der Prüflingsaufnahme äquidistant angeordnet. Eine besonders gleichmäßige und somit praxisnahe Belastung des Reibrings einer Bremsscheibe wird erreicht.In a preferred embodiment, the electrodes of a set are arranged equidistantly from one another and also with their electrode heads from the test object holder. A particularly even and therefore practical load on the friction ring of a brake disc is achieved.

Bevorzugt ist das Trägermedium in einem geschlossenen Reaktorbehältnis angeordnet oder von diesem umgeben, wobei das Reaktorbehältnis bevorzugt zwei gedichtete Trennebenen aufweist. Hierbei stellt ein geschlossenes Reaktorbehältnis in einfacher Weise konstante Versuchsbedingungen sicher, wobei zwei Trennebenen ein einfaches Einsetzen und Entnehmen des Prüflings sowie eine Kontrolle der Elektrodensätze ermöglichen.The carrier medium is preferably arranged in or surrounded by a closed reactor vessel, with the reactor vessel preferably having two sealed parting planes. Here, a closed reactor vessel ensures constant test conditions in a simple manner, with two separating planes making it easy to insert and remove the test specimen and to check the electrode sets.

Bevorzugt ist eine Varianz der Lastfälle durch eine Varianz von Impulsparametern, wie z. B. der Energie einer Schockwelle oder ihrer Wiederholfrequenz, möglich, wobei die Wiederholfrequenz bevorzugt im Bereich von Kilohertz liegt, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1000 Kilohertz und weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 100 Kilohertz. Die Belastung des Prüflings kann somit variiert werden und unterschiedliche Lastfälle können simuliert werden.A variance of the load cases by a variance of pulse parameters, such as e.g. B. the energy of a shock wave or its repetition rate, possible, wherein the repetition rate is preferably in the range of kilohertz, preferably in the range of 0.1 to 1000 kilohertz and more preferably in the range of 1 to 100 kilohertz. The load on the test object can thus be varied and different load cases can be simulated.

Alternativ sind auch unterschiedliche Lasteinträge in verschiedenen Bauteilbereichen durch eine entsprechende Anordnung der Elektroden möglich. Eine Varianz der Schockwellenintensität über die zu testende Oberfläche des Prüflings ist erzeugbar. Ein inhomogener Prüfling, wie eine verzogene Bremsscheibe, ist hierdurch simulierbar.Alternatively, different load inputs in different component areas are also possible through a corresponding arrangement of the electrodes. A variance of the shock wave intensity over the test object surface to be tested can be generated. An inhomogeneous test object, such as a warped brake disc, can be simulated in this way.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1 eine Prüfvorrichtung zur zerstörenden Prüfung von mechanischen Verbindungen mittels Schockwellen.

The invention permits numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and is described below. This shows in

1 a test device for destructive testing of mechanical connections using shock waves.

1 zeigt eine Prüfvorrichtung (1) zur zerstörenden Prüfung von Prüflingen (7) am Beispiel von Bremsscheiben, wobei die Bremsscheiben mechanische oder stoffschlüssige Verbindungen, wie z. B. Verschweißungen und Metallisierungen, aufweisen können. Die Prüfvorrichtung (1) nutzt die elektrische Impulsentladung in einem flüssigen Trägermedium (2) zur Erzeugung von Schockwellen. Die Prüfvorrichtung (1) weist hierzu zwei Hochvoltsysteme (3) auf, die eingangsseitig mit Wechsel- oder Drehstrom versorgt werden und ausgangsseitig eine Arbeitsspannung im Kilovoltbereich mit einer Entladungsfrequenz im Kilohertzbereich bereitstellen. Die Arbeitsspannung wird mittels elektrischen Leitern (4) an Elektroden (5) geleitet, die innerhalb eines Reaktorbehälters (6) in einem Trägermedium (2) ring- oder kreisförmig angeordnet sind. Ein erster Satz kreisförmig angeordneter Elektroden (5) befindet sich im unteren Bereich des Reaktorbehälters (6), ein zweiter Satz im oberen Bereich des Reaktorbehälters (6). Die freien Enden der Elektroden (5), die Elektrodenköpfe (10), weisen jeweils den gleichen Abstand zu der ihnen zugewandten Oberfläche eines Prüflings (7) beziehungsweise einer Prüflingsaufnahme (8) auf, die den Prüfbereich umfasst und begrenzt. 1 shows a testing device (1) for the destructive testing of specimens (7) using the example of brake discs, the brake discs mechanical or material connections, such. B. welding and metallization may have. The test device (1) uses the electrical impulse discharge in a liquid carrier medium (2) to generate shock waves. For this purpose, the testing device (1) has two high-voltage systems (3), which are supplied with alternating current or three-phase current on the input side and provide a working voltage in the kilovolt range with a discharge frequency in the kilohertz range on the output side. The working voltage is conducted by means of electrical conductors (4) to electrodes (5) which are arranged in a ring or circle within a reactor vessel (6) in a carrier medium (2). A first set of electrodes (5) arranged in a circle is located in the lower area of the reactor vessel (6), a second set in the upper area of the reactor vessel (6). The free ends of the electrodes (5), the electrode heads (10), are each at the same distance from the surface of a test piece (7) or a test piece holder (8) facing them, which encompasses and delimits the test area.

Der Reaktorbehälter (6) weist zwei Trennebenen (9) auf, die zum Öffnen des Reaktorbehälters (6) dienen, wenn z. B. der Prüfling (7) zur Begutachtung entnommen werden soll.The reactor vessel (6) has two parting planes (9) which are used to open the reactor vessel (6) when z. B. the test item (7) is to be removed for assessment.

Die Hochvoltsysteme (3) übermitteln die Arbeitsspannungen mittels elektrischer Leiter (4) an die Elektroden (5), wobei jede Elektrode (5) jeweils einzeln über einen elektrischen Leiter (4) mit einem Hochvoltsystem (3) verbunden ist und unabhängig von den anderen Elektroden (5) mit Spannung versorgt werden kann. Des Weiteren können beide Hochvoltsysteme zueinander koordiniert angesteuert werden, sodass z. B. eine Elektrode (5) des ersten Satzes mit einer ihr direkt gegenüberliegenden koaxial angeordneten Elektrode (5) des zweiten Satzes den gleichen Spannungsverlauf erfahren kann.The high-voltage systems (3) transmit the working voltages to the electrodes (5) by means of electrical conductors (4), each electrode (5) being connected individually to a high-voltage system (3) via an electrical conductor (4) and independently of the other electrodes (5) can be supplied with voltage. Furthermore, both high-voltage systems can be controlled in a coordinated manner, so that e.g. B. an electrode (5) of the first set can experience the same voltage curve with a coaxially arranged electrode (5) of the second set directly opposite it.

Werden sich gegenüberliegende Elektroden (5) gleichartig mit Spannung versorgt und des Weiteren die ringförmig angeordneten Elektroden (5) der Reihe nach mit Spannungsimpulsen versehen, wird beiderseits des Prüflings eine zeit- und positionsgleiche Rotation der Schockwellen erzeugt, die die Belastung einer Bremsscheibe im Bremseingriff nachbildet. Aufgrund der Möglichkeit von hohen Entladungsfrequenzen im Kilohertzbereich können hierbei auch hohe Rotationsgeschwindigkeiten simuliert werden. Durch eine Variation der angelegten Spannungen beziehungsweise der Impulsenergien können unterschiedlich starke Bremseingriffe simuliert werden.If opposite electrodes (5) are supplied with the same voltage and then the electrodes (5) arranged in a ring are supplied with voltage pulses one after the other, a rotation of the shock waves at the same time and position is generated on both sides of the test object, which simulates the load on a brake disc when the brake is applied . Due to the possibility of high discharge frequencies in the kilohertz range, high rotation speeds can also be simulated. Braking interventions of different strengths can be simulated by varying the applied voltages or the pulse energies.

Bezugszeichenlistereference list

11: Prüfvorrichtungtesting device
22: Trägermediumcarrier medium
33: Hochvoltsystemehigh-voltage systems
44: elektrische Leiterelectrical conductors
55: Elektroden electrodes
66: Reaktorbehälterreactor vessel
77: Prüflingexaminee
88th: Prüflingsaufnahmetest item recording
99: Trennebeneparting line
1010: Elektrodenkopfelectrode head

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 10053481 A1 [0003]
DE 102009034314 B4 [0004]

Claims

Testing device (1) for testing test specimens (7), preferably brake discs, by means of shock waves, with a test specimen holder (8) for receiving test specimens being arranged in a liquid carrier medium (2), characterized in that electrodes (5) in the liquid carrier medium (2) and connected to a high-voltage system (3), the shock waves being able to be generated by means of the electrodes (5) by an electrohydraulic effect, the electrodes (5) being arranged in a ring in order to test a ring-shaped test specimen area.

Test device (1) after claim 1 , characterized in that the electrodes (5) are connected individually to outputs of the high-voltage system (3) and electrical voltage can be applied individually by means of electrical conductors (4).

Test device (1) according to claims 1 or 2 , characterized in that in each case one set of electrodes (5) is arranged on both sides of a test specimen receptacle (8) and each set of electrodes (5) is preferably connected to its own high-voltage system (3).

Testing device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (5) of a set are arranged equidistantly from one another and/or with their electrode head (10) from the test piece holder (8).

Testing device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the carrier medium (2) is arranged in a closed reactor container (6) which preferably has two sealed parting planes (9).

Testing device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy of a shock wave and the frequency of the shock waves can be adjusted, preferably in the kilohertz range.

Test device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a variance in the shock wave intensity can be generated over the surface of the test object (7).

Test method using a test device (1) for testing test objects (7), preferably brake discs, by means of shock waves, characterized in that a set of electrodes (5) is supplied with an electrical pulse in succession in a ring, with each electrode (5) being preferred only one shock wave is generated, with the electrodes (5) being supplied with an electrical impulse again after one revolution, preferably until the test object (7) is destroyed.

Test method using a test device (1) for testing test specimens (7), preferably brake discs, using shock waves, characterized in that an electrode (5) of one set of electrodes (5) is connected at the same time as an electrode (5) of another set of electrodes (5 ) is supplied with an electrical pulse, the electrodes (5) preferably being arranged coaxially to one another.

Test method using a test device (1) for testing test specimens (7), preferably brake discs, using shock waves, characterized in that pulse parameters such as pulse energy and repetition frequency are variable.