DE10338063A1

DE10338063A1 - Verfahren zur Messung der Wandstärke einer in einem Kurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchse

Info

Publication number: DE10338063A1
Application number: DE2003138063
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Hoffmann; Helmut Dipl.-Ing. Schäfer (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-17

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung der Wandstärke (d) einer in einem Kurbelgehäuse (1) eingegossenen Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) wird an der inneren Wandung der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) ein Ultraschallprüfkopf (5), der sich innerhalb eines flüssigen Koppelmittels (6) befindet, vorbeigeführt. Die von dem Ultraschallprüfkopf (5) emittierten Ultraschallimpulse (7) werden in einem Übergangsbereich zwischen der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) und dem umgebenden Material des Kurbelgehäuses (1) fokussiert. Durch die Laufzeit (DELTAt) der Ultraschallimpulse innerhalb des Werkstoffs der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) wird die Wandstärke der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wandstärke einer in einem Kurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchse.

Aus dem allgemeinem Stand der Technik ist es bekannt, die Wandstärken von Zylinderlaufbuchsen mittels Ultraschall zu messen, wozu die Echosignale des emittierten Ultraschalls verwendet werden. Hierzu werden herkömmliche Ultraschallprüfköpfe eingesetzt, wobei sich zwischen den Prüfköpfen und den zu messenden Zylinderlaufbuchsen meist eine Paste als Koppelmittel befindet wird. Wenn die Oberflächen der zu messenden Objekte eine geringe bis normale Oberflächenrauhigkeit besitzen, so lassen sich mit diesen Prüfköpfen und dem dabei zum Einsatz kommenden Verfahren relativ genaue Messergebnisse erzielen.

In jüngster Zeit geht in der Automobilindustrie jedoch der Trend zu Kurbelgehäusen aus Leichtmetall, die mit Zylinderlaufbuchsen aus sogenanntem Rauguss ausgestattet sind. Diese Raugussbuchsen, welche bei der Herstellung des Kurbelgehäuses mit dem Material desselben umgossen werden, weisen an ihrem Außenumfang eine extrem raue, mit einer definierten Strukturtiefe und Hinterlegefläche versehene Oberfläche auf. Diese ist erforderlich, um eine gute Verankerung der Zylinderlaufbuchsen in dem Material des Kurbelgehäuses zu erreichen.

Wenn jedoch die bekannten Messverfahren mit den bekannten Prüfköpfen zum Messen der Wandstärken solcher Raugussbuchsen eingesetzt werden, so ergibt sich aufgrund der extrem hohen Oberflächenrauhigkeit als Messergebnis ein verwaschenes Pulsgemisch mit einer niedrigen Intensität, welches für die Messung der Wandstärke im Prinzip nicht auswertbar ist bzw. zu sehr ungenauen Angaben bezüglich der Wandstärke führt.

Aus der US 3,952,582 ist ein Verfahren zur Messung der Wandstärke von Rohren bekannt, wobei die von einem Ultraschallkopf ausgestrahlte Energie über einen Spalt auf die Oberfläche des zu messenden Teils fokussiert wird.

Die DE 29 23 142 A1 beschreibt einen Ultraschallgeber zur Werkstoffprüfung mittels der Immersionsmethode.

Des weiteren ist aus der DE 32 41 815 A1 eine zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung bekannt, bei der ein Ultraschall-Sendeelement und ein Ultraschall-Empfangselement einander gegenüberliegend in einer Probenflüssigkeit angeordnet sind.

Sämtliche der bekannten Verfahren lassen sich jedoch nicht einsetzen, um die Wandstärke von in ein Kurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchsen hinreichend genau zu messen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Wandstärke einer in einem Kurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchse zu schaffen, mit welchem die Wandstärke der Zylinderlaufbuchse möglichst genau gemessen werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Wandstärke der Zylinderlaufbuchse auf einer sehr geringen Fläche gemessen, was zu äußerst genauen Ergebnissen führt, da nicht wie bei bekannten Verfahren ein Mittelwert gemessen wird, sondern jeweilige Einzel-Wandstärken. Dadurch ist eine sehr exakte Aussage über die minimale Wandstärke der mit dem Kurbelgehäuse vergossenen Zylinderlaufbuchse möglich und es kann eine Sortierung in Gut- und Schlechtteile vorgenommen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zur Messung der Wandstärke von sogenannten Rauguss-Zylinderlaufbuchsen geeignet, da hierbei die sehr große Oberflächenrauheit am Außenumfang dieser Buchsen berücksichtigt wird, es kann jedoch auch zur Messung anderer Zylinderlaufbuchsen eingesetzt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 6.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel
Dabei zeigen:
1 ein Kurbelgehäuse mit darin eingegossenen Zylinderlaufbuchsen und einer darin angeordneten Vorrichtung zur Messung der Wandstärke der Zylinderlaufbuchse;
2 ein Diagramm eines beispielhaften Tiefenprofils der Zylinderlaufbuchse aus 1;
3 ein bei der Vorrichtung gemäß 1 verwendeter Ultraschallprüfkopf;
4 eine vergrößerte Darstellung nach der Linie IV aus 3;
5 ein Schnitt nach der Linie V-V aus 4, in der die Intensitätsverteilung innerhalb der Ultraschallimpulse dargestellt ist;
6 eine vergrößerte Darstellung nach der Linie VI aus 1;
7 eine Darstellung des Rückwand-Echos bei Verwendung eines fokussierten Ultraschallprüfkopfes; und
8 eine Darstellung des Rückwand-Echos bei Verwendung eines nicht fokussierten Ultraschallprüfkopfes.
1 zeigt ein Kurbelgehäuse 1, welches im vorliegenden Fall drei Zylinder 2a, 2b und 2c aufweist, wobei diese Anzahl jedoch als rein beispielhaft anzusehen ist. Das Kurbelgehäuse 1 ist Teil einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Innerhalb jedes Zylinders 2a bzw. 2b bzw. 2c ist eine an sich bekannte Zylinderlaufbuchse 3a bzw. 3b bzw. 3c angeordnet, welche beim Herstellen des Kurbelgehäuses 1 mit dem Material desselben umgossen wird und in welcher jeweilige, nicht dargestellte Kolben eine Oszillationsbewegung ausführen. Bei den Zylinderlaufbuchsen 3a, 3b oder 3c handelt es sich im vorliegenden Fall um sogenannte Raugussbuchsen, welche an ihrem Außenumfang eine in 1 nicht erkennbare, sehr hohe Oberflächenrauhigkeit mit definierter Strukturtiefe und Hinterlegefläche durch eine Vielzahl von Hinterschneidungen aufweist. Bei Raugussbuchsen ist eine solche raue Oberfläche erforderlich, um eine gute Verbindung mit dem Material des Kurbelgehäuses 1 zu erreichen. Das Kurbelgehäuse 1 besteht vorzugsweise aus einem Leichtmetall, wie z.B. Aluminium.
Innerhalb der Zylinderlaufbuchse 3a befindet sich eine Vorrichtung 4 zur Messung der Wandstärke d der Zylinderlaufbuchse 3a, welche einen Ultraschallprüfkopf 5 aufweist, der speziell für diesen Zweck angepasst sein kann. Die Vorrichtung 4 könnte sich auch in einer der Zylinderlaufbuchsen 3b oder 3c befinden und ist insbesondere dafür geeignet, die Wandstärke d der zuvor beschriebenen Zylinderlaufbuchsen 3a, 3b, 3c aus Rauguss zu messen, sie kann jedoch auch bei Zylinderlaufbuchsen aus Leichtmetall, z.B. aus Aluminium, eingesetzt werden. Der Ultraschallprüfkopf 5 befindet sich in einem flüssigen Koppelmittel 6, welches die Zylinderlaufbuchse 3a im wesentlichen ausfüllt. Als Koppelmittel 6 hat sich Wasser als besonders geeignet herausgestellt. In der Praxis wird das Kurbelgehäuse 1 in ein mit Wasser gefülltes Gefäß, das nicht dargestellt ist, eingetaucht. Bei der Messung der Wanddicken d von Zylinderlaufbuchsen 3a, 3b und 3c aus Grauguss-Rauhguss ist die Verwendung eines Korrosionsschutz-Zusatzes von Vorteil. Des weiteren kann als Koppelmittel auch eine an sich bekannte Paste verwendet werden, beispielsweise wenn der Ultraschallprüfkopf 5 direkt auf die innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c aufgesetzt wird.
Der Ultraschallprüfkopf 5 sendet mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete fokussierte Schallimpulse im Ultraschallfrequenzbereich (10 MHz < f < 25 MHz) aus. Dabei ist der Ultraschallprüfkopf 5 so konstruiert, dass die gesendeten Ultraschallimpulse 7 in einem bestimmten Abstand von demselben gebündelt werden, wie in 3 und 4 dargestellt. Man spricht dann von einem fokussierenden Ultraschallprüfkopf 5. Die Entfernung des engsten Bündeldurchmessers von der Prüfkopfstirnfläche nennt man Fokuslänge l. In dem Schnitt gemäß 5 durch den engsten Bündeldurchmesser ist die Intensitäts-Verteilung im Fokusbereich dargestellt. Da sich Ultraschallimpulse mit Frequenzen im Bereich 10 MHz bis 25 MHz nicht in Luft übertragen lassen, wird als Koppelmittel zwischen dem Ultraschallprüfkopf 5 und dem Prüfgegenstand, also der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c eine Flüssigkeit, im vorliegenden Fall Wasser, verwendet. Aufgrund der Brechung der Schallwellen, wenn sie vom schalldünneren Medium, nämlich dem Wasser, in das schalldichtere Medium, also der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c, wechseln, tritt ab diesem Übergang eine Verkürzung der Fokus länge l ein, wie in 6 dargestellt. Der Verkürzungsfaktor L_VK/L entspricht dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten des Koppelmittels (Wasser) zur Schallgeschwindigkeit im Prüfgegenstand (Laufbuchse). Bei Wasser als Koppelmittel und Grauguss als Prüfgegenstand beträgt der Verkürzungsfaktor 1/4.
Bei der Messung der Wanddicke d mit den Ultraschallimpulsen 7 hängt die Messunsicherheit neben anderen Einflussgrößen auch von den auszuwertenden Impulsformen ab. Das Prinzip der Wanddickenmessung mit Ultraschall beruht auf einer Laufzeitmessung. Gemessen wird die Laufzeitdifferenz zwischen dem Echoimpuls von der Innenoberfläche der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c und dem Echoimpuls von der Außenoberfläche der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c. Ist die Schallgeschwindigkeit im Prüfgegenstand bekannt, dann kann die Wanddicke über folgenden mathematischen Zusammenhang berechnet werden:
s = Wanddicke der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c;
v = Schallgeschwindigkeit in der Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c;
Δt = Laufzeitunterschied zwischen Ultraschallecho der Innenoberfläche und Ultraschallecho der Außenoberfläche.
Da der Schallimpuls zwischen dem Echo der Innenoberfläche und dem Echo der Außenoberfläche in der Laufbuchsenwand hin und zurück laufen muss (also die doppelte Wanddicke durchläuft) muss Δt noch durch 2 geteilt werden, um die Wanddicke s zu berechnen.
In 7 sind die Schallimpulsverhältnisse bei Verwendung eines fokussierenden Ultraschallprüfkopfes 5 und in 8 eines nicht fokussierenden Ultraschallprüfkopfes 5' dargestellt. Der nicht fokussierende Ultraschallprüfkopf 5', der Ultraschallimpulse 7' aussendet, zeigt ein Rückwandecho, welches aus mehreren, verwaschenen Impulsen niedrigerer Intensität zusammengesetzt ist. Eine genauere Laufzeitbestimmung ist an diesem Impulsgemisch schwer durchzuführen. Der fokussierende Ultraschallprüfkopf 5 zeigt ein Rückwandecho mit hoher Echointensität, bei dem der Laufzeitunterschied Δt leicht bestimmbar ist.
Um die gesamte Innenfläche der Zylinderlaufbuchse 3a zu messen, wird der Ultraschallprüfkopf 5 vorzugsweise einmal um den Umfang der Zylinderlaufbuchse 3a bewegt, dann um einen bestimmten Betrag in axialer Richtung nach unten verschoben, um anschließend nochmals den Innenumfang der Zylinderlaufbuchse 3a abzufahren. Diese Bewegung wird so lange fortgesetzt, bis die gesamte Innenfläche der Zylinderlaufbuchse 3a abgefahren wurde. Selbstverständlich ist hierzu auch eine Bewegung des Ultraschallprüfkopfs 5 entlang einer Schraubenlinie möglich.
Durch die Messung sämtlicher Einzel-Wandstärken der Zylinderlaufbuchse 3a kann der absolute Minimalwert der Wandstärke d der Zylinderlaufbuchse 3a gemessen werden. Dieser Minimalwert ist beispielsweise erforderlich, wenn eine oder mehrere der Zylinderlaufbuchsen 3a, 3b oder 3c oder die darin oszillierenden Kolben verschlissen sind, so dass in das Kurbelgehäuse 1 sogenannte Übermaß-Kolben eingesetzt werden müssen und es hierfür erforderlich ist, den Innendurchmesser der entsprechenden Zylinderlaufbuchse 3a, 3b oder 3c zu vergrößern. In diesem Zusammenhang muss nämlich die erlaubte Restwandstärke der Zylinderlaufbuchsen 3a, 3b oder 3c berücksichtigt werden, um keine Beschädigung derselben hervorzurufen. Gleiches gilt auch für gezielte Hubraumvergrößerungen bei Motortuning-Anwendungen.
2 zeigt ein lediglich als beispielhaft anzusehendes Messergebnis eines Tiefenprofils der Zylinderlaufbuchse 3a, welches durch das oben beschriebene Verfahren ermittelt wurde. Es ist zu erkennen, dass die Wandstärke d der Zylinderlaufbuchse 3a in diesem Fall in einem Bereich um 4,0 mm schwankt und lediglich an einer Stelle ein Minimum von 2,7 mm erreicht. Dieses Tiefenprofil kann mit einer nicht dargestellten Farbskala in Verbindung stehen, auf welcher das Unterschreiten einer bestimmten Wandstärke d mit einer bestimmten Farbe, z.B. rot, verbunden sein kann.

Claims

Verfahren zur Messung der Wandstärke (d) einer in einem Kurbelgehäuse (1) eingegossenen Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c), wobei an der inneren Wandung der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) ein Ultraschallprüfkopf (5), der sich innerhalb eines flüssigen Koppelmittels (6) befindet, vorbeigeführt wird, wobei die von dem Ultraschallprüfkopf (5) emittierten Ultraschallimpulse (7) in einem Übergangsbereich zwischen der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) und dem umgebenden Material des Kurbelgehäuses (1) fokussiert werden, und wobei durch die Laufzeit (Δt) der Ultraschallimpulse innerhalb des Werkstoffs der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) die Wandstärke (d) der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) eine Raugussbuchse verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallimpulse (7) auf eine Genauigkeit von 0,1 mm fokussiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung der Ultraschallimpulse (7) derart erfolgt, dass die Messfläche in einem Bereich zwischen 0,07 mm² bis 0,2 mm² liegt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, mit wenigstens einem sich in einem flüssigen Koppelmittel (6) befindlichen Ultraschallprüfkopf (5), dessen emittierte Ultraschallimpulse (7) in einen Übergangsbereich zwischen der Zylinderlaufbuchse (3a, 3b, 3c) und dem umgebenden Material des Kurbelgehäuses (1) fokussiert sind.