DE2722115B2

DE2722115B2 - Verfahren zur Dauerprüfung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2722115B2
Application number: DE2722115A
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: 1980-02-28
Also published as: DE2722115C3; JPS52140380A; DE2722115A1; GB1582166A; US4090401A; JPS5816463B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dauerprüfung einer Brennkraftmaschine, bei dem wiederholt eine Belastung auf einen Prüfling in Form eines Maschinenteils der Brennkraftmaschine ausgeübt wird.

Bei einem bekannten Dauerprüfungsverfahren, beispielsweise an einem Zylinderkopf einer kleinen Brennkraftmaschine, werden die Prüfzyklen »maximale Belastung — abstellen« oder »maximale Belastung — Leerlauf« so lange 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 bekannten Dauerprüfungen erstrekken sich normalerweise über einen Zeitraum von 2 bis 3 Monaten, und sie sind mit einem erheblichen Personalkostenaufwand verbunden. Insbesondere im Fall einer Konstruktionsänderung oder einer Neuentwicklung einer Brennkraftmaschine mußte bisher Für diese Dauerversuche viel Zeit aufgewandt werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens zur Dauerprüfung einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, das quantitativ auf die Bedingungen des praktischen Brennkraftmaschinenbetriebs abgestimmt ist und das sich innerhalb einer kurzen Zeitspanne und gefahrlos durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Dauerprüfung einer Brennkraftmaschine, bei dem wiederholt eine Belastung auf einen Prüfling in Form eines Maschinenteils der Brennkraftmaschine ausgeübt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Prüfling beim ersten der wiederholten Belastungsvorgänge einer Überlastung unterworfen wird, während beim zweiten Belastungsvorgang und bei den folgenden Belastungsvorgängen eine Vollbelastung an den Prüfling angelegt wird.

Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren wirkt erfindungsgemäß lediglich bei der ersten der aufeinanderfolgenden bzw. sich wiederholenden Belastungen eine vorbestimmte Überlast auf einen Prüfling ein, während die zweite und die folgenden Belastungen eine kleinere Größe besitzen als die erste Belastung. Obgleich diese Überlastanlegung ein gefährlicher Vorgang ist, ist bei einer Überlastung über eine sehr kurze Zeitspanne von z. B. etwa 3 Minuten 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 ähnSich wie bei dem bekan

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ν en an reu 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 zu dem bekannten Verfahren derart zu verkürzen, daß eine Rißbildung bei einer um etwa '/3 kleineren Zahl von Wiederholungszyklen erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Dauerprüfungsverfahren mit Anfangsüberlastung kann daher innerhalb einer Prüfungszeitspanne abgeschlossen werden, die um etwa '/3 kürzer ist als bei dem bekannten Verfahren, d. h. in einer Zeitspanne von 3 Wochen bis zu einem Monat. Da das erfindungsgemäße Verfahren ein quantitativ bestimmtes Verfahren ist, kann mit seiner Hilfe die Betriebslebensdauer einer im praktischen Gebrauch befindlichen Brennkraftmaschine einwandfrei abgeschätzt werden. 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.

Zwar ist bereits vorgeschlagen worden, den Dauerprüfungszeitraum dadurch zu verkürzen, daß die Belastung auf über 100% erhöht wird. Dieses Verfahren bedingt jedoch einen unzumutbar großen Arbeitsaufwand, weil dabei häufige und übermäßig große Änderungen der Ausgangsleistung herbeigeführt werden, ur.d dieses Verfahren ist zudem mit einem Risiko für schwere Unfälle und für eine mögliche Beschädigung anderer Bauteile als des Zylinderkopfes verbinden. Außerdem ist dieses Verfahren mit dem wesen liehen Nachteil behaftet, daß die vorgeschlagene Prüfung keine genaue Dauerprüfung darstellt, weil bei allen Belastungszyklen eine Überlastung angewandt wird und dadurch die Prüfung unter abnormalen Bedingungen durchgeführt wird, die sich vom praktischen Betrieb einer Brennkraftmaschine wesentlich unterscheiden.

Nachfolgend ist ein Ausführungäbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Durchführungsweise des bekannten Verfahrens,

F i g. 2 ein Zeitdiagramm des Dauerprüfungsverfahrens gemäß der Erfindung,

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

F i g. 4 ein Spannungsdehnungsdiagramm für den Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem bekannten Verfahren,

F i g. 5 ein Goodmansches Diagramm, welches die Beziehung zwischen thermischer Dehnung und mittlerer Zug-Druck-Beanspruchung zeigt und

F i g. 6 Diagramme zur vergleichenden Veranschaulichung des bekannten Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens.

F i g. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dauerprüfungsverfahren im Vergleich zu dem bekannten Verfahren gemäß Fig. 1. Der Unterschied gegenüber dem bekannten Verfahren besteht dabei lediglich im ersten Prüfzyklus.

F i g. 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 auftriii (Punkt λ' im Uberbrückungsteii

zwischen den Ventilbohrungen gemäß Fig. 3), doch gilt sie gleichermaßen für andere Positionen, an denen thermische Materialermüdung auftreten kiiin. In F i g. 3 sind mit 1 ein Vorverbrennungsraum, mit 2 eine Ansaugöffnung, mit 3 eine Auslaßöffnung und mit Λ/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 F i g. 4 sind nunmehr die beim bisherigen Verfahren durchgeführten Dauerprüfungszyklen (a) (100% Belastung — Abstellen oder Leerlauf gemäß Fig. 1) erläutert Der Punkt O stellt den Neuzustand dar, den der Zylinderkopf nach der Fertigung besitz! 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 e^ bezeichnet. Hierbei sei angenommen, daß der Zugbelastungszustand (stress) am Punkt X im Stillstand und im Leerlauf zustand 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 100% 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 ε,\β entspricht. Der dann durch plastische Verformung tatsächlich im Material erzeugte Zug ist mit o\ bezeichnet.

Nunmehr sei angenommen, daß die Belastung der Maschine auf den Punkt Cgemäß Fig. 1 herabgesetzt worden ist. Hierbei wird der Zustand gemäß Punkt C (Fig.4) erreicht, weil eine thermische Dehnungskomponente ε,\Β entsprechend der Änderung zwischen 100% Last und Stillstand oder Leerlauf erreicht ist. Die in diesem Fall durch plastische Verformung hervorgerufene, tatsächliche Zugbeanspruchung ist mit 02 bezeichnet. Wenn der Pri'ifling hierauf den Prüfzyklen mit 100% Last und Abstellen bzw. Leerlauf unterworfen wird, wiederholen sich die Zustandsänderungen von C^B. Die mittlere Zugbeanspruchung o,„(a) bestimmt sich in diesem Fall nach der Gleichung gemäß F i g. 4.

Im folgenden ist die erfindungsgemäße Dauerprüfung (b) mit Anfangsüberlastung erläutert. Die Position des Zustands von F i g. 4 entsprechend dem Punkt A gemäß F i g. 2 ist dabei dieselbe wie beim bisherigen Verfahren. Wenn, wie durch A ->■ D in F i g. 2 angedeutet, ein Überlastungszustand erreicht ist, gelangt der Zustand (state) gemäß F i g. 4 über die Strecke A-+B-* D zum Punkt D. Die in diesem Augenblick herrschende Dehnung bzw. Spannung Eao 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 (Relastungs-)Zustand gemäß Fig.4 auf den Punkt E über. Wenn hierauf die Prüfzykien 100% Last—Abstellen oder Leerlauf ähnlich wie beim bisherigen Verfahren gemäß F i g. 1 wiederholt durchgeführt werden, führt die Zustandsänderung E-F zur gleichen thermischen Dehnungsänderung bab wie beim bisherigen Verfahren, so daß sich die Zustandsänderungen bzw. Lastwechsel Ef^Fgemäß Fig.4 wiederholen, in diesem Fall ist die tatsächlich durch plastische Verformung erzeugte Zugbeanspruchung am Punkt E gleich 04 und am Punkt F gleich 03. Der durchschnittliche Zug a_m (b) bestimmt sich sodann durch die Gleichung gemäß F i g. 4.

Es ist darauf hinzuweisen, daß sich der Verlauf der Kurven OABD, B*^C, D-»Eund E^Fim Spannungsdehnungsdiagramm gemäß F i g. 4 durch Materialprüfung der Zylinderkopfmaterialien messen und bestimmen läßt. Außerdem können die Dehnungsbeanspruchungen Ba. ε ab und ε ad durch eine Zugbeanspruchungsanalyse auf der Grundlage der Temperaturverteilung im Zylinderkopf im Betrieb der Maschine unter den jeweiligen Lastverhältnissen ermittelt werden. Die Zugbeanspruchungen 01. 02, 03, 04, O_n, (a) und o_m(b) gemäß F i g. 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 o,„ (a) und o,„ (b), die während der Dauerprüfung am Punkt X im Zylinderkopf auftreten, voneinander verschieden sind.

Es ist bekannt, daß im allgemeinen die Wirkung der

μ 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 Zuganaly-

j] se am Punkt ΛΊγπ Maschinenzyklus gezeigt hai, daß der Bereich der wiederholten Durchgänge der thermischen Dehnungsbeanspruchung ε und die mittlere Zugbeanspruchung a_m entsprechen, so wird der Koordinatenpunkt (o„, ε) in Fig. 5 als Punkt C aufgetragen.

Als nächstes wird die Zugfestigkeit o« 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 ε am Punkt /, wo dieselbe Gerade oder ihre Verlängerung die

■π Ordinate schneidet, als Äquivalent-Dehnungs-Bereich ε_ι?bezeichnet werden.

Dieser Bereich ε«,besitzt die folgende Bedeutung:
Die Zahl der Zyklen, bei denen eine Materialzerstörung durch thermische Ermüdung auftritt, wenn der

M Bereich der wiederholten Durchgänge der thermischen Dehnungsbeanspruchung ε und die mittlere Zugbeanspruchung o,„ entsprechen, sowie die zu >;iner Zerstörung führende Zahl von Zyklen bei einem wiederholten Durchgangsbereich der thermischen Dehnungsbean-

V) spruchung e_cq und einer mittleren Zugbeanspruchung von 0 sind nämlich jeweils gleich. Bekanntlich gilt diese Beziehung auch für eine negative mittlere Zugbeanspruchung σ,,,. Während eine thermische Ermüdungsprüfung bei einer mittleren Zugbeanspruchung gleich 0 bei

bO 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

b5 abgeleitet werden.

Fig.6 veranschaulicht Vergleichsdarstellungen der jeweiligen Kennlinien der Dauerprüfung gemäß dem Stand der Technik und der DauerDrüfii.12 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 F i g. 6 am Punkt / als durchschnittliche bzw. mittlere Dehnungs-Zug-Beanspruchung o,„(a) für das bisherige Verfahren und am Punkt K als mittlere Beanspruchung O_n, (b) 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 F i g. 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) unc N[b) (erfindungsgemäß) an den Punkten L' und M'inselben Diagramm erhalten. Genauer gesagt, wird dei Bedingung A^b) N(a) entsprochen, was bedeutet, daO erfindungsgemäß die Dauer der Dauerprüfung (d. h Zahl der Wiederholungszyklen N) verkürzt werder kann. Außerdem kann die Durchführungsdauer dei Dauerprüfung (d. h. die Zahl der Wiederholungszykler N) quantitativ und eindeutig in Abhängigkeit von dei Größe der bei der Dauerprüfung mit Anfangsüberlastung auszuübenden Belastungen abgeleitet werden.

Im folgenden ist die Erfindung in praktischer 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:

Dauerp rüfungsverfahren	Temperaturunterschied :	Leerlauf	Thermische	Zahl der Zyklen
	Flammenfrontfläche unc	33 C	Dehnungs	bis zur Rißbildung
	zwischen einer	33 C	beanspruchung
	1 einer Kühlfläche	(wie links)	(%)
Bisheriges Verfahren (a)	am Punkt X eines Zylinderkopfes	33 C	f.μ = 0,400	4600
Mit Anfangsüberlastung	Maximale Last	(wie links)	ε_ΛΒ = 0,570	1500
nach dem erfindungs	254 C		(wie links)
gemäßen Verfahren (b)	334 C	c_AB = 0,400
	(Anfangsüberlastung)	(wie links)
	254 C
(2. und folgende
Zyklen)

Im Vergleich zum bisherigen Verfahren zeig'.; 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 Prüfungszeilspanne 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.

Erfindungsgemäß wird also das bisherige Dauerprüfverfahren, bei dem eine Prüflast wiederholt an einen Prüfling angelegt wird, dahingehend verbessert, daß der Prüfling beim ersten Prüflastzyklus 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Dauerprüfung einer Brennkraftmaschine, bei dem wiederholt eine Belastung auf einen Prüfling in Form eines Maschinenteils der Brennkraftmaschine ausgeübt wird, dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß der Prüfling beim ersten der wiederholten Belastungsvorgänge einer Überlastung unterworfen wird, während beim zweiten Belastungsvorgang und bei den folgenden Belastungsvorgängen eine Vollbelastung an den Prüfling angelegt wird.