DE6939316U - Pruefvorrichtung. - Google Patents

Description

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen von wechselnden Belastungen ir>;erworfenen Motorenteilen, insbesondere von Kolbenringen und Zylinderkopfdichtung en, in Form eines durch einen Freiflugkolben angetriebenen Schwingaggregates.

Kolbenringe und Zylinderkopfdichtungen unterliegen im Verbrennungsmotor extrem hohen Belastungen. Dazu zählen durch Vorspannung Gasdruck und/oder Beschleunigung hervorgerufene mechanische sowie durch den Verbrennungsvorgang erzeugte thermische Belastung sarten. Die dynamische Beanspruchung der Kolbenringe wird durch die Hubbewegungen des Kolbens hervorgerufen, während bei Zylinderkopfdichtungen die wechselnde Änderung der Dicht Spaltenbreite zwischen Zylinderkopf und Motorblock eine Art dynamische Belastung darstellt. Die Auslegung ständig wechselnden Beanspruchungen unterworfener Motorenteile bedarf der besonderen Erprobung, insbesondere muß deren Standfestigkeit unter den späteren Betriebsbedingungen im Motor möglichst entsprechenden Verhältnissen getestet werden« da vorzeitig verschlissene oder

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gebrochene Motorenteile, z.B. Kolbenringe und Zylinderkopfdichtungen, eine vollständige Zerlegung des Motors für den Austausch der Teile erfordert. Meist werden sowohl die Dichtteile selbst als auch die mit den Dichtteilen zusammenwirkenden Motorenteile, wie Zylinderkopf und Zylinderlaufbüchse, während des Motorbetriebes in Versuchsläufen getestet. Solche Versuche sind zeitraubend und teuer. Außerdem lassen sich am laufenden Motor nicht alle erforderlichen Untersuchungen durchführen.

Es sind zwar schon Einrichtungen zur Untersuchung der Auswirkungen bestimmter Beanspruchungen an Motorenteilen vorgeschlagen worden. Bisher sind aber keine Prüfvorrichtungen bekannt geworden, mit denen gleichzeitig mehrere Beanspruchungsarten simuliert und mit welchen Kurz zeitversuche mit einem optimalen Aussagewert des Versuchsergebnis.»as durchgeführt werden können.

Der vorliegenden Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher sich die wechselnden Beanspruchungsarten mit sehr hoher Frequenz simulieren lassen, um mit relativ geringem Aufwand in kurzer Zeit Untersuchungen am Prüfling durchführen zu können, deren Ergebnisse deneis der bisherigen Langzeitversuche im laufenden Motor entsprechen. Die Neuerung baut auf einem an sich bekannten Schwingungserzeuger mit einem in einem Zylinder hin und her bewegbaren Freiflugkolben, der elektrisch oder pneumatisch antreibbar ist, auf.

Gemäß der Neuerung stößt der Freiflugkolben beiderseits an

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elastische Anschläge. Dadurch wird beim Auftreffen des mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegten Freiflugkolbens auf einem der elastischen Anschläge eine sprunghafte Änderung der Beschleunigung bzv/. Verzögerung des Freiflugkolbens erreicht, die etwa der eines Kolbenringes in der Nut eines Kolbens in einem Verbrennungsmotor entspricht. Auf diese Weise lassen sich schlagartige Belastungsänderungen erzeugen, wie sie für die Durchführung von Ringbrechversuchen erforderlich sind. Darüber hinaus bewirken die elastischen Anschläge eine Schwingungsfrequenzerhöhung des Freiflugkolbens, da sie beim Auftreffen des Freiflugkolbens dessen Bewegungsenergie zunächst übernehmen, speichern und nach Umkehr der Kolbenbewegungsrichtung die potentielle Energie zum normalen Antrieb zusätzlich wirkend auf den Freiflugkolben wieder abgeben. Auf diese Weise läßt sich eine 4- bis 5-fache Erhöhung der Schwingungsfrequenz gegenüber den bisher bekannten Kolbenschwingern erzielen. Durch die hohe Schwingungsfrequenz wird die Versuchszeit für Dauerbelastungserprobungen wesentlich herabgesetzt.

In der weiteren Ausgestaltung der Neuerung wird vorgeschlagen, daß das Elastizitätsvermögen der Anschläge regelbar ist. Damit lassen sich Lastwechselversuche an den Dichtteilen mit unterschiedlichen Frequenzen und Beschleunigungen durchführen. Dies ist für eine betriebsnahe Untersuchung wichtig, da auch im Verbrennungsmotor die Motorenteile durch Änderung der Motordrehzahl unterschiedlichen Belastungsfrequenzen unterworfen sind.

Vorzugsweise sind die elastischen Anschläge als Kolben ausgebildet,

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die ihrer Funktion nach als Prallkolben zu bezeichnen sind. Mit der Anordnung von elastisch gelagerten Prallkolben lassen sich Kolbenringversuche nicht nur am Freiflugkolben sondern auch an den Prallkolben selbst durchführen, da letztere den gleichen Beschleunigungssprüngen ausgesetzt sind und somit sich die gleichen schlagartigen Belastungen auf die im Prallkolben gekammerten Kolbenringe auswirken.

Die elastische Lagerung der Prallkolben besieht vorteilhafterweise aus druckvorgespannten Gaspolstern, so daß sich durch Veränderung des Gasdruckes das Elastizitätsvermögen des Polsters beeinflussen läßt. Es ist aber auch denkbar und insbesondere für die Erprobung von Zylinderkopfdichtungen von Vorteil, wenn einer der Prallkolbe auf einem hydraulischen Polster ruht. Die vom Freiflugkolben auf den Prallkolben abgegebene Energie bewirkt eine wesentlich größere Druckerhöhung im Hydraulik miitei als im gasgefüllten Polster. Infolge der Inkompressibilität der Flüssigkeit können die schlagartigen Druckbelastungen direkt auf den Rand der im Bereich des hydraulischen Polsters angeordneten Zylinderkopfdichtung einwirken, so daß auf diese Weise die explosiven Drucksteigerungen im Vei'brennungsmotor simuliert werden können. Darüber hinaus werden durch die Druckerhöhung im Hydraulikpolster die angrenzenden Vorrichtungsteile je nach ihrer konstruktiven und technologischen Auslegung mehr oder weniger stark elastisch verformt, so daß auch in diesem Fall von einem elastischen Anschlag gesprochen werden kann. Es lassen sich Durchbiegungen im Vorrichtungsflansch sowie Verzüge im Prallkolbenzylinder erzeugen, die denen von Zylinderköpfen bzw. Zylinderlaufbüchsen in Verbrennungsmotoren entsprechen, sowie deren Einfluß auf die Dichtwirkung der zu prüfenden Zylinderkopf-

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dichtung erproben.

Nach einem weiteren Vorschlag sind die Prallkolben gleichzeitig als Steuermittel für den Antrieb des Freiflugkolbens ausgebildet, so daß jeweils nach dem Auftreffen des Freiflugkolbens auf einen der beiden Prallkolben das den Antrieb des Freiflugkolbens bewirkende Mittel in seiner Wirkungsrichtung umgekehrt v/ird. Es ist dabei unbedeutend, ob der Freiflugkolben pneumatisch oder elektrisch angetrieben wird. Bei pneumatischem Antrieb wird die Druckluft direkt über Steuerkanten des Prallkolbens geschaltet, während bei elektrischem Antrieb zusätzliche Druckluftschalter die Umkehrung des elektrischen Stromfeldes bewirken.

Zum erleichterten Anlaufen der Prüfvorrichtung wird vorgeschlagen, den unteren Prallkolben der normalerweise aufrecht stehenden Vorrichtung zusätzlich mit einer Druckfeder vorzuspannen, um das Eigengewicht des unteren Prallkolbens auszuschalten und diesen in Schließstellung zu bringen, weil die elastische Rück schlagwirkung der Gas- bzw. Hydraulikpolster erst beim Aufschlagen des bereits in Bewegung befindlichen Freiflugkolbens in Erscheinung tritt.

Nach einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Prüfvorrichtung weist der Freiflugkolben zur Erprobung von Kolbenringen einen austauschbaren Ringträger in Form eines zylindrischen Rohres auf, der axial zwischen den beiden Kolbenhälften verspannbar ist. Damit können bei ebenfalls auswechselbaren Zylindern Kolbenringe mit unterschiedlichen Durchmessern in einer Vorrichtung erprobt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der den Freiflugkolben

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aufnehmende Zylinder als Hohlzylinder ausgebildet ist, so daß dieser beheizt oder gekühlt werden kann. Das gleiche gilt auch für den Freiflugkolben, dessen Hohlraum dann über nach außen geführte Rohre mit einem Heiz- oder Kühlaggregat verbunden sein kann. Auch lassen sich auf diese Weise bestimmte Gasdruckverhältnisse an den Kolbenrin^flanken hert Ilen, wie sie sich auch im Verbrennungsmotor einstellen»

Die neuerungsgemäße Vorrichtung erweist sich in ihrer Gesamtheit als Universal-Prüfvorrichtung für insbesondere Kolbenringe und Zylinderkopfdichtungen, da mit ihr die verschiedenen Belastung sarten der Dichtteile simuliert werden können, ohne daß langwierige Motorversuche durchgeführt werden müssen. Die Vorrichtung läßt sich aber ebenso gut als einfacher Schwingungserzeuger bei der Erprobung von anderen Motorenteilen einsetzen, indem sie mechanisch mit den zu erprobenden Motor enteilen gekoppelt wird.

Ausführungsbeispiele der Neuerung sind in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3

eine Prinzipzeichnung der Prüfvorrichtung im Längsschnitt

eine graphische Darstellung des Beschleunigungsverlaufes der Prallkolben

eine Prüfvorrichtung zur Erprobung von Zylinderkopfdichtungen

eine Prüfvorrichtung zur Erprobung von Kolbenringen e .ie Prüfvorrichtung zur Erprobung sonstiger Motorenteile.

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Fig. 1 zeigt eine schematisierte Darstellung der neuerungsgemäßen Prüfvorrichtung im Längsschnitt. Die Vorrichtung besteht aus einem doppelwandigen Hohlzylinder 1,2 in welchem der Freiflugkolben 3 auf und ab bewegbar ist. Letzterer weist beiderseits zylinderische Führungsansätze 4,5 auf, die sich in je eine Führungshülse 6,7 der ringförmigen Vorrichtungsteile 8,9 erstrecken. Gemäß der Neuerung befinden sich beiderseits des Freiflugkolbens 3 elastische Anschläge in Form von elastisch gelagerten Prallkolben lo, 11, die ebenfalls in Hülsen 12, 13 geführt werden. Zwischen den Prallkolben und dem Freiflugkolben liegen die Steuerkanten 14, 15 zur Steuerung der Antriebsluft, die über Kanäle 16, 17 zugeführt und über Kanäle 18, 19 abgeführt wird. Zum Aufbau der druckvorgespannten Gaspolster 2o,21 hinter den Prallkolben lo, 11 wird Stickstoff über Kanäle 22,23 zugeführt. Für die Aufrechterhaltung eines konstanten Gasdruckes in den Polstern lo, 11 dient ein außerhalb der Vorrichtung angebrachter Druckbehälter 24 mit einem Druckregulierventil 25. Der untere Prallkolben 11 wird zusätzlich von einer Druckfeder 26 nach oben gedrückt, damit er an der Steuerkante 15 anliegt. Diese Maßnahme ist für den Anlauf der Vorrichtung erfoi'derlich.

Der Freiflugkolben 3 besteht aus zwei axial mittels einer Schraube 27 verspannten Teilen 28,29 sowie einem auswechselbaren Trägerteil 3o in Form eines zylindrischen Rohres mit Nuten 31 in der äußeren Mantelfläche zur Aufnahme von zu erprobenden Kolbenringen 32. Die ebenfalls austauschbaren Zylinder entsprechen den Laufbüchsen von Verbrennungsmotoren. Sie sind über den Hohlraum 33 heiz- oder kühlbar, je nachdem ob es sich um Kaltlauf- oder Warmlaufversuche handelt. Als Heiz- oder

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Kühlmittel dient 'ornehmlich Wasser oder Wasserdampf, welches über Kanäle 34, j.> in bzw. aus dem Hohlraum 33 geleitet wird.

Während sämtliche Vorrichtungsteile über mehrere am Umfang verteilt angeordnete Spannschrauben 36 miteinander verspannt sind, ist der Vorrichtungsdeckel 37 über Stiftschrauben 38 auf dem Vorrichtungsflansch 39 getrennt befestigt. Zwischen beiden Teilen 37 und 39 lassen sich ring- und plattenförmige Zylinderkopfdichtungen erproben. Durch entsprechende Verrippung und Profilierung des Vorrichtungsdeckels 37 lassen sich Verzüge und Durchbiegungen nachahmen, wie sie bei Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren vornehmlich auftreten.

Der Bewegungsablauf der Prüfvorrichtung ist folgender: Der Freiflugkolben 3 wird mittels über Kanäle 16, 17 zugeführter Preßluft von ca. 4 bis 6 atü angetrieben, d.h. auf und ab bewegt. Die jeweilige Umsteuerung der Bewegungsrichtung des Freiflugkolbens 3 erfolgt über die Steuerkanten 14, 15, von denen sich der jeweilige Prallkolben lo, bzw. 11 beim Aufschlagen des Freiflugkolbens 3 abhebt, so daß die Preßluft entgegengesetzt der momentanen Bewegungsrichtung auf den Freiflugkolben 3 wirksam wird und diesen zurückschleudert. Dazu kommt noch die Antriebswirkung der über die Prallkolben lo, 11 im elastischen Polster 2o, £7. beim Aufschlagen des Freifiugkoibens 3 gespeicherten Energie. Ina Bereich der Umkehrung der Hubbewegung des Freiflugkolbens werden die Luftkanäle 18,19 freigegeben, über welche die Antriebsluft wieder entweichen kann.

Wesentlich ist, daß der Freiflugkolben 3 der Prüfvorrichtung mit Preßluft geringen Druckes oder auch durch elektromagnetische Energie antreibbar ist_t wobei der Antrieb lediglich zur Überwindung

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des Energieverlusted infolge Reibung dient. Die notwendige Beschleunigung erhält der Freiflugkolben durch die elastisch gelagerten Prallkolben. Der Beschltanigungsverlauf ist unter Vernachlässigung der Reibverluste in Fig. 2 dargestellt. Die durchgezogene Linie 4o gibt die Beschleunigung eines niedrig druckvorgespannten Prallkolbens wieder, während die gestrichelte Linie 4o 'die Beschleunigung eines hoch druckvorgespannten Prallkolbens darstellt. In beiden Fällen ist deutlich die sprunghafte Änderung der Beschleunigung bei Berührung des Freiflugkolbens mit dem oberen bzw. unteren Pralikoiben zu erkennen. Die mit der Vorrichtung erzielbaren Beschleunigungswerte liegen bei etwa 2ooo g bei Frequenzen bis etwa loo Hz. Durch Veränderung des Polstervolumens hinter den Prallkolben lassen sich Hublängen von wenigen Zehnteln bis etwa 3o mm erzeugen, wobei die obere Grenze durch konstruktive Auslegung noch weit ausdehnbar ist.

In den Fig. 3 bis 5 sind drei typische Einsatzmöglichkeiten der Prüfvorrichtung dargestellt.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 dient speziell zur Erprobung von Zylinderkopf dichtungen. Der Prüfling 5o ist zwischen dem vereinfacht dargestellten Zylindergehäuse 51 und dem Vorrichtungsdeckel 52 verspannt. Letzterer weist eine Profilierung auf, die etwa der eines Zylinderkopfes eines Einzylindermotors entspricht. Der obere Prallkolben 53 der Vorrichtung ruht auf einem Hydraulikpolster 54 konstanten Volumens. Beim Aufschlagen des Freiflugkolbens 55 auf den Prallkolben 53 tritt jeweils eine schlagartige Druckerhöhung im Hydraulikpolster auf, deren Einfluß auf die Zylinderkopfdichtung 5o sowie der benachbarten Teile, wie Deckel 52 und Zylinder 51, gemessen und ausgewertet wird.

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Zur Messung der Verformungen infolge Verzugs dienen an sich bekannte mechanische oder elektrische Meßwertaufnehmer.

Die in Fig. 4 dargestellte Prüfvorrichtung ist für die Erprobung von Kolbenringen ausgelegt. Sowohl die auf Gaspolstern 60, 61 gelagerten Prallkolben 62,63 als auch der Freiflugkolben 66 weisen Nuten zur Aufnahme von zu erpro. enden Kolbenringen 64,65,67 auf. Bei geeigneter Auswahl von Frequenz, Belastung und Beschleunigung lassen sich Ringbrechversuche, Verschleißversuche und bei beheizter Vorrichtung auch Brandspurversuche unter motorähnlichen Verhältnissen durchführen.

Fig. 5 zeigt noch die Verwendung der Vorrichtung als Schwingungserzeuger zum Prüfen von Dauerbelastungen unterworfenen größeren Motorenteilen, wie zum Beispiel am Zylinderkopf oder Motorblock. Zu diesem Zwecke ist die Vorrichtung 7o mechanisch mit dem Prüfling 71 gekoppelt, so daß die erzeugten Schwingungen und Belastungsschläge auf den Prüfling übertragen werden.

Claims (10)

1. GOETZEWERKE Burscheid, den 1. Oktober 1969

   Friedrich Goetze A.G. T. A. Patente/329/We/Schw. (134o)

   Schutz-Ansprüche

   \ 1. Vorrichtung zum Prüfen von wechselnden Belastungen unterworfenen Motorenteilen, insbesondere von Kolbenringen und Zylinderkopfdichtungen, in Form eines durch einen Freiflugkolben angetriebenen Schwingaggregates, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiflugkolben (3) beiderseits an elsistische Anschläge stößt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastizitätsvermögen der Anschläge regelbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Anschläge als Prallkolben (lo, 11) ausgebildet sind.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide Prallkolben (lo, 11) auf druckvorgespannten Gaspolstern ruhen.

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5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichne' daß riner der Prallkolben (lo) auf einem hydraulischen Polster ruht.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallkolben (lo, 11) als Steuermittel für den Antrieb des Freiflugkolbens (3) ausgebildet sind.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Prallkolben (11) zusätzlich von einer Druckfeder (26) vorgespannt ist.
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiflugkolben (3) einen austauschbaren Ringträger in Form eines zylindrischen Rohres (3o) aufweist.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den Freiflugkolben (3) aufnehmende Zylinder als Hohlzylinder (1,2) ausgebildet ist.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiflugkolben (3) heiz- bzw. kühlbar ist.

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