DE2722115A1

DE2722115A1 - Verfahren zur dauer- bzw. ermuedungspruefung mit anfangsueberlastung

Info

Publication number: DE2722115A1
Application number: DE19772722115
Authority: DE
Inventors: Takashi Miwa; Shigeru Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1976-05-18
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1977-11-24
Also published as: GB1582166A; DE2722115B2; JPS5816463B2; DE2722115C3; US4090401A; JPS52140380A

Description

Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha D-ÄMünJhen 80

Tokio, Japan

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

16. Mai 1977

Verfahren zur Dauer- bzw. Ermüdungsprüfung mit Anfangsüberlastung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dauer- bzw. Ermüdungsprüfung, bei dem wiederholt eine Belastung auf einen Prüfling in Form eines Maschinenteils, einer Konstruktion o.dgl. ausgeübt wird.

Bei den bisher üblichen Dauerprüfungsverfahren, beispielsweise an einem Zylinderkopf einer kleinen Brennkraftmaschine, werden normalerweise die Prüfungszyklen "Maximale Belastung" - "Abstellen oder maximale Belastung" - "Leerlauf" gemäß Fig. 1 durchgeführt, bis sich im Zylinderkopf ein Riß gebildet hat. Auf diese Weise wird bestimmt, ob die Zykluszahl, bei welcher der Riß auftritt, eine konstruktive Soll-Lebensdauer oder eine durch empirische Auswertung der auf dem Markt vertriebenen Produkte bestimmte Soll-Lebensdauer übersteigt oder nicht.

Diese bisherigen Dauerprüfungen bzw. Dauerlaufversuche erstrekken sich normalerweise über einen Zeitraum von 2-3 Monaten, und sie sind mit einem enormen Personalkostenaufwand verbunden.

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Ke/Bl/ro

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Insbesondere im Fall einer Konstruktionsänderung oder einer Neuentwicklung einer Brennkraftmaschine mußte bisher für diese Dauerversuche viel wertvolle Zeit aufgewandt werden« Dies führte in einigen Fällen sogar dazu, daß der vorgesehene Zeitplan für die Entwicklung nicht eingehalten werden konnte.

Es wurde daher wiederholt versucht, den Dauerprüfungszeitraura zu verkürzen. Beispielsweise wurden bereits ein Dauerprüfungsverfahren, bei dem die Belastung auf über 100# erhöht wird, und ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Prüfzyklen gemäß Fig. 1 unter höherer thermischer Zug-Belastung als bei einer im praktischen Einsatz befindlichen Brennkraftmaschine in der Weise durchgeführt werden, daß die Temperatur des Kühlwassers für einen Zylinderkopf variiert wird. Das erstgenannte Verfahren bedingt je-doch einen unzumutbar großen Arbeitsaufwand, weil dabei häufige und übermäßig große Änderungen der Ausgangsleistung herbeigeführt werden, und dieses Verfahren ist zudem mit einem Risiko für schwere Unfälle und für eine mögliche Beschädigung anderer Bauteile als des Zylinderkopfes verbunden. Das zweitgenannte Verfahren ist dagegen bezüglich der Änderung der thermischen Zug-Belastung, wenn diese über die in der Praxis bei der Brennkraftmaschine auftretende Belastung hinaus erhöht wird, Einschränkungen unterworfen. Außerdem ist dieses Verfahren mit dem noch schwerwiegenderen Nachteil behaftet, daß die vorgeschlagene Prüfung keine genaue Dauerprüfung darstellt, weil sie unter abnormalen Bedingungen durchgeführt wird, die sich vom praktischen Betrieb einer Brennkraftmaschine wesentlich unterscheiden.

Die Erfindung ist nun mit dem Ziel der Ausschaltung der mit den bisherigen Dauerprüfungsverfahren verbundenen Nachteile entwickelt worden. Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens zur Dauer- bzw. Ermüdungsprüfung, das quantitativ auf die Bedingungen des praktischen Brennkraft-

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maschinenbetriebs abgestimmt ist und das sich innerhalb einer kurzen Zeitspanne und gefahrlos durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Dauerprüfung mit Anfangsüberlastung, bei welchem ein Prüfling wiederholt einer Belastung unterworfen wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Prüfling beim ersten der aufeinanderfolgenden bzw. wiederholten Belastungsvorgänge einer Überlastung unterworfen wird, während beim zweiten Belastungsvorgang und bei den folgenden Belastungsvorgängen eine kleinere Belastung als die erste Belastung bzw. Überlastung an den Prüfling angelegt wird.

Im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Durchführungsweise eines bisher üblichen Verfahrens,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Dauerprüfungsverfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Modells für beim erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendende Prüflinge,

Fig. 4 ein Spannungsdehnungsdiagramm (stress-strain diagram) für den Vergleich einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem bisherigen Verfahren,

Fig. 5 ein Goodmansches Diagramm, welches die Beziehung zwischen thermischer Dehnung und mittlerer Zug-Druckbeanspruchung zeigt, und

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Fig. 6 Diagramme zur vergleichenden Veranschaulichung des bisherigen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgeraäßen Dauerprüfungsverfahrens im Vergleich zum bisherigen Verfahren gemäß Fig. 1. Der Unterschied gegenüber dem bisherigen Verfahren besteht lediglich im ersten Prüfzyklus, nämlich darin, daß bei der ersten der aufeinanderfolgenden bzw. sich wiederholenden Belastungen eine vorbestimmte Überlast auf einen Prüfling einwirkt, während die zweite und die folgenden Belastungen eine kleinere Größe besitzen als die erste Belastiing. Obgleich diese Überlastanlegung, wie erwähnt, ein gefährlicher Vorgang ist, ist bei einer Überlastung über eine sehr kurze Zeitspanne von z.B. etwa 3 min die Gefahr ziemlich gering; im allgemeinen kann ohne weiteres eine Überlast von bis zu 130% ausgeübt werden. Im zweiten und in allen folgenden Zyklen wird eine Arbeitsfolge ähnlich wie beim bisherigen Verfahren durchgeführt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den DauerprüfungsZeitraum (d.h. eine Folge sich wiederholender Prüfzyklen)bis zum Auftreten eines thermischen Ermüdungsrisses im Vergleich zum bisherigen Verfahren zu verkürzen.

Im folgenden ist das Grundprinzip der Erfindung näher erläutert.

Fig. 3 zeigt die Lage eines thermischen Ermüdungsrisses, wie er typischerweise in einem Zylinderkopf entsteht. Diese Figur zeigt eine Modellansicht eines Zylinderkopfes, von der Brennraum- bzw. Kolbenseite her gesehen. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Stelle, an der typischerweise eine thermische Ermüdung auftritt (Punkt X im Überbrückungsteil zwischen den Ventilbohrungen gemäß Fig. 3), doch gilt sie gleichermaßen

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für andere Positionen, an denen thermische Materialermüdung auftreten kann. In Fig. 3 sind mit 1 ein Vorverbrennungsraum, mit 2 eine Ansaugöffnung, mit 3 eine Auslaßöffnung und mit M ein Prüfling bezeichnet.

Fig. 4 ist ein Spannungsdehnungsdiagramm eines Werkstoffs, aus dem ein Zylinderkopf hergestellt ist; für vergleichsweise kleine Brennkraftmaschinen mit Zylinderdurchmessern von weniger als 200 - 300 mm werden häufig Werkstoffe der Graugußklasse verwendet. Die Kurve O-B-D zeigt die Beziehung zwischen Zug bzw. Druck und Dehnung (stress versus strain) bei Druckbeanspruchung an diesem Material.

Anhand von Fig. 4 sind nunmehr die beim bisherigen Verfahren durchgeführten Dauerprüfungszyklen (a) (100% Belastung - Abstellen oder Leerlauf gemäß Fig. 1) erläutert. Der Punkt 0 stellt den Neuzustand dar, den der Zylinderkopf nach der Fertigung besitzt und in welchem er keiner Beanspruchung unterworfen ist. Der Zustand, in welchem der Zylinderkopf in einer Brennkraftmaschine montiert und der Montagespannung unterworfen ist, ist durch den Punkt A angedeutet. Die Dehnung (strain) in diesem Zustand ist mit t« bezeichnet. Hierbei sei angenommen, daß der Zugbelastungszustand (stress) am Punkt X im Stillstand und im Leerlaufzustand der Maschine jeweils dieselbe Größe besitzt.

Als nächstes sei angenommen, daß die Maschine angelassen worden ist und auf dem Punkt B entsprechend einer Last von 10096 arbeitet. Es sei angenommen, daß es sich als Ergebnis der Zuganalyse herausgestellt hat, daß die thermische Dehnung (thermal strain) entsprechend dem thermischen Zug (thermal stress), die dann auf den Punkt X des Zylinderkopfes einwirkt, gleich 6-ig entspricht. Der dann durch plastische Verformung tatsächlich im Material erzeugte Zug ist mit O^ bezeichnet.

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Nunmehr sei angenommen, daß die Belastung der Maschine auf den Punkt C gemäß Fig. 1 herabgesetzt worden ist. Hierbei wird der Zustand gemäß Punkt C (Fig. 4) erreicht, weil eine thermische Dehnungskomponente &.g entsprechend der Änderung zwischen 100% Last und Stillstand oder Leerlauf erreicht ist. Die in diesem Fall durch plastische Verformung hervorgerufene, tatsächliche Zugbeanspruchung ist mit «p bezeichnet. Wenn der Prüfling hierauf den Prüfzyklen mit 100% Last und Abstellen bzw. Leerlauf unterworfen wird, wiederholen sich die Zustandsänderungen von C^tB, Die mittlere Zugbeanspruchung <>_m(a) bestimmt sich in diesem Fall nach der Gleichung gemäß Fig. 4.

Im folgenden ist die erfindungsgemäße Dauerprüfung (b) mit Anfangsüberlastung erläutert. Die Position des Zustands von Fig. 4 entsprechend dem Punkt A gemäß Fig. 2 ist dabei dieselbe wie beim bisherigen Verfahren. Wenn, wie durch A —>D in Fig. 2 angedeutet, ein Überlastungszustand erreicht ist, ge< langt der Zustand (state) gemäß Fig. 4 über die Strecke A->B-*D zum Punkt D. Die in diesem Augenblick herrschende Dehnung bzw. Spannung £.ß läßt sich durch eine Zugspannungsanalyse auf der Grundlage der Temperaturverteilung im Zylinderkopf ermitteln, wenn die Maschine auf dem Punkt D gemäß Fig. 2 arbeitet.

Wenn sodann die an die Maschine angelegte Last auf den Stillstand- oder Leerlaufzustand verringert worden ist und den Punkt E in Fig. 2 erreicht hat, geht der (Belastungs-)Zustand gemäß Fig, 4 auf den Punkt E über. Wenn hierauf die Prüfzyklen 100% Last - Abstellen oder Leerlauf ähnlich wie beim bisherigen Verfahren gemäß Fig. 1 wiederholt durchgeführt werden, führt die Zustandsänderung E^F zur gleichen thermischen Dehnungsänderung £-_AB wie beim bisherigen Verfahren, so daß sich die Zustands änderungen bzw. Lastwechsel E^F gemäß

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Fig. 4 wiederholen. In diesem Fall ist die tatsächlich durch plastische Verformung erzeugte Zugbeanspruchung am Punkt E gleich 6. und am Punkt F gleich 6,. Der durchschnittliche Zug o_m(b) bestimmt sich sodann durch die Gleichung gemäß Fig. 4.

Es ist darauf hinzuweisen, daß sich der Verlauf der Kurven OABD, B^±C, D—>E und E^±F im Spannungsdehnungsdiagramm gemäß Fig. 4 durch Materialprüfung der Zylinderkopfmaterialien messen und bestimmen läßt. Außerdem können die Dehnungsbeanspruchungen £>, £ρτ> und C durch eine Zugbeanspruchungsanalyse auf der Grundlage der Temperaturverteilung im Zylinderkopf im Betrieb der Maschine unter den jeweiligen Lastverhältnissen ermittelt werden. Die Zugbeanspruchungen 6 ok» &%» £, , 8_m(a) und ^_m(b) gemäß Fig. 4 lassen sich daher eindeutig bestimmen.

Wie eingangs erwähnt, besteht der Unterschied zwischen dem bisherigen Verfahren (a) und dem erfindungsgemäßen Verfahren (b) mit Anfangsüberlastung darin, daß die durchschnittlichen bzw. mittleren Zugbeanspruchungen ^_m(a) und d_m(b), die während der Dauerprüfung am Punkt X im Zylinderkopf auftreten, voneinander verschieden sind.

Es ist bekannt, daß im allgemeinen die Wirkung der durchschnittlichen bzw. mittleren Zug- bzw. Druckbeanspruchung auf die thermische Ermüdungsfestigkeit mit Hilfe des Goodmanschen Diagramms gemäß Fig. 5 ermittelt werden kann.

Wenn nunmehr angenommen wird, daß die Zuganalyse am Punkt X im Maschinenzyklus gezeigt hat, daß der Bereich der wiederholten Durchgänge der thermischen Dehnungsbeanspruchung β und die mittlere Zugbeanspruchung <$_m entsprechen, so wird der Koordinatenpunkt (£_m> £-) in Fig. 5 als Punkt G aufgetragen·

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Als nächstes wird die Zugfestigkeit r>_ß des Materials auf der Abszisse aufgetragen, und dieser Punkt wird mit H markiert. Bei Verbindung der Punkte G und H durch eine Gerade kann der Wert bzw. die Größe von £ am Punkt I, wo dieselbe Gerade oder ihre Verlängerung die Ordinate schneidet, als Äquivalent-Dehnungs-Bereich 6 bezeichnet werden»

eq

Dieser Bereich £ besitzt die folgende Bedeutung:

eq

Die Zahl der Zyklen, bei denen eine Materialzerstörung durch thermische Ermüdung auftritt, wenn der Bereich der wiederholten Durchgänge der thermischen Dehnungsbeanspruchung S und die mittlere Zugbeanspruchung ο entsprechen, sowie die zu einer Zerstörung führende Zahl von Zyklen bei einem wiederholten Durchgangsbereich der thermischen Dehnungsbeanspruchung £ und einer mittleren Zugbeanspruchung von 0 sind nämlich jeweils gleich« Bekanntlich gilt diese Beziehung auch für eine negative mittlere Zugbeanspruchung & Während eine thermische Ermüdungsprüfung bei einer mittleren Zugbeanspruchung gleich bei Werkstoffprüfungen allgemein als Standardprüfung vorgenommen wird, kann die Betriebslebensdauer verschiedener praktisch angewandter Maschinen und Konstruktionen unter den verschiedenen Bedingungen, denen sie unterworfen sind, aus der obigen Beziehung abgeleitet werden.

Fig. 6 veranschaulicht Vergleichsdarstellungen der jeweiligen Kennlinien der Dauerprüfung gemäß dem Stand der Technik und der Dauerprüfung mit Anfangsüberlastung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, sind die Wirkungsweisen (modes) der sich wiederholenden Zyklen der thermischen Dehnungsbeanspruchungen, die während der Dauerprüfung auftreten, in Fig. 6 am Punkt J als durchschnittliche bzw. mittlere Dehnungs-Zug-Beanspruchung ö_m(a) für das bisherige Verfahren und am Punkt K als mittlere Beanspruchung o

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für das erfindungsgemäße Verfahren aufgetragen· Die betreffenden Durchgangsbereiche der Dehnungsbeanspruchung sind dabei an den Punkten M bzw» L abgeleitet.

Wenn andererseits, wie an der rechten Seite von Fig. 6 dargestellt, die Beziehung zwischen dem Durchgangsbereich der thermischen Dehnungsbeanspruchung und der Zahl von Zyklen vor Entstehung eines Risses vorläufig oder provisorisch durch Wärmeermüdungsprüfung (unter mittlerer Zugbeanspruchung von 0) der Werkstoffe ermittelt wird, lassen sich die zur Rißbildung führenden Zahlen der Wiederholungszyklen N(a) (nach dem Stand der Technik) und N(b) (erfindungsgemäß) an den Punkten L¹ und M¹ im selben Diagramm erhalten. Genauer gesagt, wird der Bedingung N(b) N(a) entsprochen, was bedeutet, daß erfindungsgemäß die Dauer der Dauerprüfung (d.h. Zahl der Wiederholungszyklen N) verkürzt werden kann. Außerdem kann die Durchführungsdauer der Dauerprüfung (d.h. die Zahl der Wiederholungszyklen N) quantitativ und eindeutig in Abhängigkeit von der Größe der bei der Dauerprüfung mit Anfangsüberlastung auszuübenden Belastungen abgeleitet werden.

Im folgenden ist die Erfindung in praktischen Anwendungsbeispielen beschrieben. Als Prüfling diente eine Brennkraftmaschine einer Leistung von 60 PS bei 3300 U/min und mit einem Zylinder-bzw. Bohrungsdurchmesser von 90 mm, deren Zylinderkopf aus Grauguß bestand. Als Anfangsüberlastung wurde eine Last von 120% angewandt. Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse dieser Prüfungen wieder:

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Daue rp ruf ungs verfahren

Temperaturunterschied zwischen Thermische

einer Flammenfrontfläche und Dehnungsbe-

einer Kühlfläche am Punkt X anspruchung eines Zylinderkopfes (%)

Zahl der Zyklen bis zur Rißbildung

Maximale Last Leerlauf

Bisheriges
Verfahren (a)

254⁰C 33°C

- °'⁴⁰⁰

4600

Mit Anfangsüberlastung nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
(b)

334°C

(Anfangsüberlastung)

254°C

(2. und folgende Zyklen) 33⁰C

^£AB

o,570 (wie liiife) (wie links)

33⁰C

^βΑΒ - °'⁴⁰⁰ (wie linte) (wie links)

1500

Im Vergleich zum bisherigen Verfahren zeigte sich also, daß eine Rißbildung bei einer um etwa ein Drittel kleineren Zahl von Wiederholungszyklen erreicht werden kann«, Das erfindungsgemäße Dauerprüfungsverfahren mit Anfangsüberlastung kann daher innerhalb einer PrüfungsZeitspanne abgeschlossen werden, die um etwa ein Drittel kürzer ist als beim bisherigen Verfahren, d.h„ in einer Zeitspanne von drei Wochen bis zu einem Monat.

Da es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren zudem, wie erwähnt, um ein quantitativ bestimmtes Verfahren handelt, kann mit seiner Hilfe die Betriebslebensdauer (endurance) einer im praktischen Gebrauch befindlichen Brennkraftmaschine einwandfrei abgeschätzt werden.

Bezüglich der möglicherweise mit einer Dauerprüfung verbundenen Gefahren ergibt sich darüber hinaus der zusätzliche Vorteil, daß der Gefahrengrad im Vergleich zu dem Fall verringert werden kann, in welchem die Überlastanlegungen nach dem bisherigen Verfahren wiederholt erfolgen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Überlastung des Prüflings nur während einer sehr kurzen Zeitspanne erfolgt.

Mit dem erfindungsgemäßen Dauerprüfungsverfahren können somit der Prüfzeitraum wesentlich verkürzt und die für die Entwicklung einer neuen Brennkraftmaschine erforderlichen oder mit einer Konstruktionsänderung verbundenen Kosten beträchtlich gesenkt werden.

Obgleich das Grundprinzip der Erfindung vorstehend in Verbindung mit einem speziellen Prüfling erläutert ist, ist darauf hinzuweisen, daß diese Erläuterung lediglich beispielhaft zu verstehen ist und keinesfalls als Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung angesehen werden soll»

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Erfindungsgemäß wird also das bisherige Dauerprüfverfahren, bei dem eine Prüflast wiederholt an einen Prüfling angelegt wird, dahingehend verbessert, daß der Prüfling beim ersten PrUflastzyklus gewollt einer Überlastung ausgesetzt wird, während im zweiten Prüfzyklus und in den folgenden Zyklen eine kleinere Last als die beim ersten Prüfzyklus angelegte Belastung am Prüfling angewandt wird. Aufgrund dieser Verbesserung kann die Dauerprüfung innerhalb kürzerer Zeit abgeschlossen werden, ohne mit Gefahren verbunden zu sein.

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Leerseite

Claims

Patentanspruch

Verfahren zur Dauerprüfung mit Anfangsüberlastung, bei welchem ein Prüfling wiederholt einer Belastung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Prüfling beim ersten der aufeinanderfolgenden bzw. wiederholten Belastungsvorgänge einer Überlastung unterworfen wird, während beim zweiten BelastungsVorgang und bei den folgenden Belastungsvorgängen eine kleinere Belastung als die erste Belastung bzw. Überlastung an den Prüfling angelegt wird.

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