DE3405951C2

DE3405951C2 - Verfahren zur Überprüfung der Schwingungsfestigkeit von Auspuffanlagen von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3405951C2
Application number: DE3405951A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7012 Fellbach Kizler; Oswald Dipl.-Ing. 7054 Korb Schuldt; Hans-Joachim Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Schöpf
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1984-02-18
Filing date: 1984-02-18
Publication date: 1987-03-19
Also published as: DE3405951A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Schwingungsfestigkeit von Auspuffanlagen an Brennkraftmaschinen. Beide werden in einer mit der späteren Einbaulage übereinstimmenden Weise in einem Prüfstand aufgehängt, so daß sowohl die Brennkraftmaschine als auch die Auspuffanlage in ihrem Schwingungsverhalten mit dem späteren Einbauzustand übereinstimmen. Statt dessen kann das komplette Fahrzeug auch auf einen Rollenprüfstand mit Grube genommen werden. Die Brennkraftmaschine wird in jedem Fall im Schleppbetrieb angetrieben und dadurch die Auspuffanlage zu Schwingungen angeregt. Dadurch bleibt die Auspuffanlage kalt, insbesondere, wenn die Brennräume der Brennkraftmaschine ständig belüftet sind. Die kritischen Stellen der Auspuffanlage zwischen den Auspuffrohren und den Schalldämpfern werden nach dem an sich bekannten spannungsoptischen Oberflächenschichtverfahren schwingungstechnisch untersucht, so daß die Stellen einer Spannungsüberhöhung hinsichtlich Lage, Ausbreitung und Ausmaß der Spannungsüberhöhung sichtbar gemacht werden können. Aufgrund gesicherter Aussagemöglichkeiten in dieser Hinsicht ist auch eine gezielte konstruktive Abhilfe möglich. Aufgrund der Vermeidung von mühseligen schwingungstechnischen Untersuchungen und von Langzeitversuchen kann wertvolle Entwicklungszeit eingespart werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Schwingungsfestigkeit von Auspuffanlagen von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei bisher praktizierten Überprüfungs- bzw. Untersuchungsverfahren der hier angesprochenen Art wurden Schwingungsaufnehmer in großer Zahl an der Auspuffanlage befestigt und die Schwingungsausschläge nach Größe und Phasenlage ermittelt und aus diesen Daten dann schließlich die Biegeverläufe der Auspuffanlage bei den verschiedenen Schwingungsphasen rekonstruiert. Aus diesen Biegeformen konnte dann auf die mechanische Beanspruchung der Auspuffanlage geschlossen und über diesen recht langen Umweg mittelbar dann auch eine schwingungstechnisch ausreichende Dimensionierung derAuspuffanlage vorgenommen werden. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, daß zunächst über einen lang andauernden Versuch eine große Anzahl von Messungen angestellt und ein sehr umfangreiches Datenmaterial gesammelt werden muß. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß sich die Schwingungsformen innerhalb des Drehzahlspektrums der Brennkraftmaschine auch ändern können und somit die verschiedenen Schwingungsformen nicht nur in den verschiedenen Phasen innerhalb eines Schwingungszyklus aufgezeigt werden müssen, sondern diese ganzen Darstellungen auch noch bei unterschiedlichen Drehzahlen nachvollzogen werden müssen. Mit diesem mühseligen Verfahren kann bei vertretbarem Aufwand die Schwingungsform zwar ermittelt werden, jedoch sind die Aussagen über die Lokalisierung etwaiger Schwachstellen innerhalb der Auspuffanlage nur ungenau. Deswegen sind bei einer Optimierung einer Auspuffanlage unter Zugrundelegung des hier besprochenen Überprüfungsverfahrens praxisnahe Langzeitversuche in einem Fahrzeug unentbehrlich. Dadurch gestaltet sich die praxisgerechte Optimierung einer Auspuffanlage recht langwierig.
Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrundegelegte Verfahren zur Überprüfung der Schwingungsfestigkeit von Auspuffanlagen dahingehend zu verbessern, daß gesicherte Aussagen über die schwingungstechnische Festigkeit bzw. die Lokalisierung von entsprechenden Schwachstellen in kürzerer Zeit gemacht werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 verfahren. Aufgrund des Fremdantriebs der Brennkraftmaschine bleibt die Auspuffanlage auch nach längerer Versuchsdauer nur mäßig warm, so daß spannungsoptische Beschichtungen dadurch keinen Schaden leiden. Diese sind thermisch maximal bis 60 bis 80°C belastbar. Das spannungsoptische Oberflächenschichtverfahren ist an sich bekannt und beispielsweise in der deutschen Zeitschrift "Messen und Prüfen" 1979, Seiten 649 ff anhand einer Ausgestaltung dieses Verfahrens beschrieben. Eine Anwendung dieses auch Fotostreßverfahren genannten Verfahrens auf die Untersuchung von Auspuffanlagen wurde bisher wegen der hohen auftretenden Auspufftemperaturen nie in Erwägung gezogen. Auch was es keineswegs ersichtlich, daß die Schwingungsanregung der Brennkraftmaschine auf die Auspuffanlage im Arbeitsbetrieb der Brennkraftmaschine die gleiche ist wie im Schleppbetrieb. Dieses haben erst eingehende Untersuchungen der Anmelderin ergeben. Zweckmäßigerweise sind die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine zumindest bei länger andauernden Versuchen ständig belüftet, indem z. B. die Zündkerzen oder - bei Dieselmotoren - die Einspritzdüsen entfernt werden, so daß die Kompressionsarbeit und vor allen Dingen die Kompressionserwärmung reduziert wird und somit noch weniger Wärme in die Auspuffanlage hineingetragen wird. Auch nach längerem Schleppbetrieb bleibt dabei die Auspuffanlage handwarm. Bewußte Unwuchten in den Triebwerksteilen im Grenzbereich des Zulässigen können mit zur Schwingungsanregung herangezogen werden. Die Auspuffanlage soll ja gerade bei maximaler Schwingungsanregung untersucht und überprüft werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt
Fig. 1 die Seitenansicht eines Versuchsaufbaus zur Ausübung des Überprüfungsverfahrens nach der Erfindung und
Fig. 2 eine Detail-Darstellung der Auspuffanlage nach Fig. 1 in einer Ansicht von oben.
Die Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die in einem Prüfstand in einer mit der Einbaulage im Fahrzeug übereinstimmenden Weise aufgehängt ist. Und zwar ist ein aus der Brennkraftmaschine 1 und dem zugehörigen Getriebe 3 bestehender Antriebsblock über ein Paar von seitlich an der Brennkraftmaschine angebrachte Haltekonsolen 2 und über den Auflagerungspunkt am Ende des Getriebes unter Zwischenschaltung von gummielastischen Schwingungstilgern wie sie auch beim Einbauzustand verwendet werden, auf Stützen 12 für die Triebwerkshalterung aufgelegt, die ihrerseits fest mit dem Prüfstandsboden verschraubt sind. Wegen der mit der späteren Einbaulage übereinstimmenden Aufhängung des Antriebsblocks ist auch dessen Schwingungsverhalten das gleiche wie im Einbauzustand. Auch die ausgangs des Getriebes 3 angeordnete Kardanwelle 4 stimmt mit der für den späteren Einbau im Fahrzeug verwendeten Gelenkwelle überein; sie weist ein Zwischenlager 5 auf, welches ebenfalls auf eine Stütze 12 entsprechender Höhe geschraubt ist. Die Kardanwelle 4 führt weiter zu einem elektrischen Antriebsmotor 6, mit dem die Brennkraftmaschine 1 im Schleppbetrieb angetrieben werden kann. An dem rückwärtigen Wellenende des Antriebsmotors ist ein Drehzahl- und Winkellagengeber 15 angebracht, über den weiter unten noch zu sprechen sein wird.
Zu der Brennkraftmaschine gehört die Schwingungstechnisch zu untersuchende Auspuffanlage, die zunächst einen unmittelbar an die Brennkraftmaschine bzw. ihren Zylinderkopf angeflanschten Abgassammler 7 enthält, der allein wegen seiner hohen thermischen Beanspruchung relativ dickwandig und somit starr ausgebildet ist. An ihn schließt sich eine längere räumlich gekrümmte Auspuffleitung an, die möglichst platzsparend im Bodenbereich des Fahrzeuges verlegt ist und die Abgase zum Fahrzeugheck leitet. Die Abgasleitung besteht aus Auspuffrohren 11 und aus einem ersten (9) und einem zweiten Schalldämpfer 10. Die solcherart gebildete Auspuffanlage ist an einigen wenigen Stellen elastisch am Fahrzeugboden aufgehängt und diese Aufhängungspunkte sind auch für die mit der späteren Einbaulage übereinstimmenden Aufhängung im Prüfstand benutzt worden. Beispielsweise ist auf der Höhe des Getriebes 3 an dem Auspuffrohr 11 eine Haltekonsole befestigt, die unter Zwischenschaltung eines gummielastischen Schwingungstilgers an einen karosseriefesten Punkt bzw. im Prüfstand an eine Stütze 13 für die Auspuffhalterung aufgehängt werden kann. Desgleichen ist auch der erste Schalldämpfer 9 wenigstens an eine Stelle auf Stützen 13 elastisch aufgehängt. Außerdem ist im Bereich des Endes der Auspuffanlage eine weitere Abstützung vorgesehen. Die Abstützstellen stimmen nach Lokalisierung, Ausbildung und schwingungstechnischem Verhalten mit denen in der späteren Einbaulage überein, so daß sich auch insoweit die Auspuffanlage schwingungstechnisch gleich verhält wie beim späteren Einbau im Fahrzeug.
Die hinsichtlich der Dauerfestigkeit neuralgischen Punkte an der Auspuffanlage sind erfahrungsgemäß die Übergangsstellen von den Auspuffrohren 11 in die Schalldämpfer, die Unstetigkeitsstellen im Kraftfluß darstellen. Hier treten erfahrungsgemäß Risse oder ähnliche Schädigungen, die auf schwingungsmäßige Überbeanspruchung zurückzuführen sind, auf.
Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahrens sind lediglich diese neuralgischen Übergangsstellen vorbereitet worden. Und zwar sind sie in an sich bekannter Weise mit einer spannungsoptischen Beschichtung 14 versehen. Es handelt sich dabei um durchsichtiges Folienmaterial von einer Stärke von 1 bis 3 mm. Diese Folien werden in teilausgehärtetem Zustand der zu untersuchenden Werkstückoberfläche formgetreu angepaßt; danach läßt man die Folie zu einem formstabilen Schalenkörper erstarren. Dieser wird anschließend vollflächig auf das Werkstück festhaftend aufgeklebt, so daß er sämtliche Verformungen und Dehnungen des Werkstückes mitvollführt. Die derart vorbehandelten Teile der Auspuffanlage werden in den Prüfstand eingebaut.
Zur Durchführung des Versuches können die Zündkerzen der Brennkraftmaschine oder - bei einem Dieselmotor - die Einspritzdüsen entfernt werden, so daß die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine ständig voll belüftet sind und sich keine Drücke darin aufbauen können. Dadurch wird eine kompressionsbedingte Wärmeentwicklung in den Arbeitsräumen verhindert. Die mit bewußten Unwuchten an der Kurbelwelle, an dem Schwungrad, in Getriebeteilen oder an der Kardanwelle versehene Brennkraftmaschine wird durch den elektrischen Antriebsmotor 6 in Drehung versetzt, wobei eine mit dem normalen Kraftbetrieb der Verbrennungskraftmaschine übereinstimmende Schwingungsanregung auf die Auspuffanlage ausgeübt wird. In vorteilhafter Weise bleibt jedoch bei diesem Schleppbetrieb die Auspuffanlage und somit auch die spannungsoptische Beschichtung 14 daran lediglich handwarm, so daß letztere ihre Funktion auch über längere Zeit hinweg behält.
Während des Versuchs wird der Prüfraum abgedunkelt und die zu untersuchende Stelle wird lediglich mit einem Blitzstroboskop 16 beleuchtet, welches durch den bereits erwähnten Winkelgeber 15 getriggert wird. Die Triggerung erfolgt derart, daß zwei aufeinander folgende Lichtblitze leicht phasenversetzt bezüglich der Kurbelwellenumdrehung sind, so daß durch aufeinander folgende Lichtblitze stets versetzte Bewegungsphasen der Schwingung blitzartig beleuchtet werden. Der Phasenversatz bei der Triggerung kann stufenlos auch bis zum Phasenversatz gleich Null eingestellt werden. Vor dem Blitzstroboskop 16 ist ein Polarisationsfilter 17 in der Funktion eines Polarisators angebracht, so daß die zu betrachtende Stelle mit polarisiertem Licht beleuchtet wird. Die Versuchsperson betrachtet die solcherart beleuchtete Stelle durch ein weiteres Polarisationsfilter 18 als Analysator. Aufgrund dieser Anordnung können die Stellen gleicher Spannungszustände auf der Bauteiloberfläche durch Isochromaten innerhalb der spannungsoptischen Beschichtung 14 sichtbar gemacht werden. An Stellen einer Spannungsüberhöhung kommt es zu einer Verdichtung von Isochromaten. Diese Verdichtungsstellen können während eines Schwingungszyklus sich hinsichtlich Ausbreitung, Verdichtungsausmaß, Isochromatenverlauf oder Lage verändern. Diese Veränderungen können ebenfalls sichtbar gemacht werden. Durch Veränderungen der Schleppdrehzahl können die Veränderungen der Spannungsüberhöhungen auch innerhalb des Drehzahlspektrums der Brennkraftmaschine erkennbar gemacht werden. Auf diese Weise läßt sich nicht nur lagemäßig, sondern auch was die ungünstigste Drehzahl anlangt, die hinsichtlich der Wechselfestigkeit ungünstigste oder schwächste Stelle und weitere kritische Bereiche an der Auspuffanlage sehr rasch lokalisieren. Aufgrund der gesicherten Aussage, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hinsichtlich Lage, Ausbreitung und Ausmaß der Beanspruchung machen können, ist dem erfahrenen Konstrukteur rasch eine konstruktive Abhilfe möglich. Durch einen weiteren Versuch der hier geschilderten Art mit einer derart optimierten neuen Auspuffanlage kann diese daraufhin rasch überprüft werden, ob sie tatsächlich den gestellten Erwartungen entspricht. Praxisnahe Langzeitversuche in fahrenden Fahrzeugen über mehrere Wochen bzw. Tausende von Kilometern sind dadurch weitgehend entbehrlich. Es können entscheidende Wochen oder gar Monate an Entwicklungszeit für dieses Bauteil eingespart werden.
Anstelle des in der Figur gezeigten Versuchaufbaues kann die präparierte Auspuffanlage auch in das zugehörige komplette Fahrzeug eingebaut und dieses auf einen Rollenprüfstand mit antreibbaren Prüfrollen und mit Grube genommen werden. Die stroboskopische Beobachtung und Auswertung der gefährdeten Stellen kann dann von der Grube aus erfolgen. Dem Fahrzeugboden zugekehrte Umfangsstellen der Auspuffanlage können bei der Beobachtung über einen Spiegel eingesehen werden; meist liegt die Auspuffanlage hierfür genügend frei.

Claims

1. Verfahren zur Überprüfung der Schwingungsfestigkeit von Auspuffanlagen von Brennkraftmaschinen,

bei dem entweder das komplette Fahrzeug in einen Rollenprüfstand mit Grube aufgestellt wird oder nur die Auspuffanlage und die Brennkraftmaschine in einem Prüfstand in einer hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens mit der Einbaulage im Fahrzeug bzw. in dem anzutreibenden Aggregat übereinstimmenden Weise aufgehängt und miteinander verbunden werden,

bei dem durch Laufenlassen der Brennkraftmaschine die Auspuffanlage zu Schwingungen angeregt wird und

diese dann schwingungstechnisch beobachtet bzw. ausgewertet werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Laufenlassen der Brennkraftmaschine (1) im Schleppbetrieb seitens eines fremden Antriebsmotors (6) erfolgt und

daß wenigstens die festigkeitsmäßig gefährdeten Stellen der Auspuffanlage (8) mit dem an sich bekannten spannungsoptischen Oberflächenschichtverfahren (14, 16, 17, 18) schwingungstechnisch beobachtet bzw. ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine (1) ständig belüftet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleppen der Brennkraftmaschine (1) unter Zwischenschaltung einer mit dem Einbaufall im Fahrzeug bzw. in dem anzutreibenden Aggregat übereinstimmenden Gelenkwelle (4) bzw. eines Getriebes (3) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkwelle (4) und/oder das Getriebe (3) mit einer bewußten Unwucht an der Grenze des Zulässigkeitsbereiches versehen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad und/oder die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (1) mit einer bewußten Unwucht an der Grenze des Zulässigkeitsbereiches versehen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsoptisch beschichteten (14) Oberflächenpartien der Auspuffanlage (8) mit dem polarisierten (17) Licht eines vom Antriebsdrehzahl- bzw. Winkellagensignal (15) triggerbaren Blitzstroboskop (16) beleuchtet und über ein Polarisationsfilter (18) beobachtet werden.