NL8701557A - Werkwijze en inrichting voor het onderzoeken van slijtage- en wrijvingseigenschappen van loopvlakmaterialen bij glijdende wrijving. - Google Patents

Description

«i NL 34.107-Me/hp *

Werkwijze en inrichting voor het onderzoeken van slijtage- en wrijvingseigenschappen van loopvlakmaterialen bij glijdende wrij ving

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het onderzoeken van slijtage- en wrijvingseigenschappen van loopvlakmaterialen bij glijdende wrijving

Voor het onderzoeken van slijtage- en wrijvings-5 eigenschappen van loopvlakmaterialen is men tot nu toe aangewezen op praktijkproeven, waarbij de onderdelen, waarvoor de materialen uiteindelijk zijn bedoeld, in de betreffende machine zijn ingebouwd. Bijvoorbeeld bij het testen van met de nokken van een nokkenas samenwerkende klepplaatjes voor 10 automotoren, worden de motoren op de proefbank of de auto's op de testbaan beproefd, teneinde het gedrag van de klepplaatjes te testen. Deze beproevingen zijn langdurig en zeer kostbaar, voordat men gegevens heeft verzameld die een betrouwbare voorspelling van de eigenschappen van de onderde-15 len, respectievelijk materialen geven.

De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen, die het genoemde bezwaar op doeltreffende wijze opheft en waarmede op een zeer snelle en eenvoudige manier de slijtage-en/of wrijvingseigenschappen van materialen kunnen worden 20 voorspeld.

Hiertoe wordt de werkwijze volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat een eerste proefstuk van een eerste materiaalsoort en een tweede proefstuk van een tweede materiaalsoort met hun loopvlakken onder belasting over een af-25 stand langs elkaar worden bewogen onder toevoeging van een smeermiddel tussen de loopvlakken, waarbij de hiervoor benodigde energie wordt gemeten, terwijl vervolgens deze stap een aantal malen wordt herhaald bij verschillende bulktemperatu-ren van het smeermiddel, waarna in een grafiek het gemeten 30 energieverbruik ais functie van de bulktemperatuur van het smeermiddel wordt uitgezet.

Op verrassende wijze is gebleken, dat deze snelle en goedkope werkwijze een goed inzicht verschaft in het slijtage- en wrijvingsgedrag van loopvlakmaterialen. Door de 35 belasting en de variabele temperatuur zullen verschillende smeringstoestanden tussen de beide proefstukloopvlakken op- 8701 557 ft -2- treden. Bij een constante belastingscyclus zal bij lage bulk-temperatuur van het smeermiddel en derhalve een hoge viscositeit hiervan een volle-filmsmering tussen de proefstukloop-vlakken optreden. Bij verhoging van de temperatuur en een 5 dienovereenkomstige verlaging van de viscositeit van het smeermiddel neemt de draagkracht van de smeerfilm af en zal de smeringsvorm eerst overgaan van volle-filmsmering naar gemengde smering en tenslotte tot grenssmering verworden. Indien men in een grafiek de voor een bepaalde verplaatsing 10 tussen de beide proefstukken benodigde energie uitzet tegen de bulktemperatuur van het smeermiddel, dan zijn de overgan-gen tussen de genoemde smeringsvormen goed te herkennen. Des te lager de temperatuur is waarbij een overgang optreedt en des te lager het energieverbruik bij een bepaalde temperatuur 15 is (lage wrijvingscoëfficient) des te beter zijn de slijtage-en wrijvingseigenschappen van een loopvlakmateriaalcombinatie. Het zal duidelijk zijn, dat het energieverbruik bij volle-f ilmsmering meer zegt over de oppervlaktelagen van het materiaal, terwijl het energieverbruik bij grenssmering voor-20 al een indicatie geeft over de met de toevoegingen in het smeermiddel gevormde grenslagen van het materiaal.

Indien de beproevingen gedurende langere tijden worden voortgezet, kan tevens het slijtageprofiel in de loopvlakken worden onderzocht.

25 In een specifieke uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding worden de beide proefstukken onder wisselende belasting langs elkaar bewogen, waarbij bij voorkeur het eerste proefstuk roterend wordt aangedreven, terwijl het tweede proefstuk verend tegen het eerste proefstuk wordt be-30 last. Hierbij kan als eerste proefstuk een nok- of excen-triekring wordt toegepast.

Op deze manier kan op eenvoudige wijze de situatie worden nagebootst van de glijdende wrijving tussen een nok-kenasnok en een klepplaatje van een verbrandingsmotor. Zo-35 doende is het mogelijk met zeer eenvoudige middelen een inzicht te verkrijgen in de gedragingen van het loopvlakmate-riaal van het klepplaatje, zodat op grond van deze proef een gefundeerde materiaalkeuze kan worden gedaan.

Voor het meten van het door de wrijving tussen de 40 proefstukloopvlakken gedissipeerde energie kan het koppel aan 87 0 1 557 -3- « de aangedreven as van het eerste proefstuk worden gemeten.

Uiteraard is het eveneens mogelijk, dat aan het tweede proefstuk de kracht in de richting van de verplaatsing van het eerste proefstuk over het tweede proefstuk wordt gemeten. Uit 5 het gemeten moment en de doorlopen hoek of uit de gemeten dwarskracht en de afgelegdge wrijvingsweg kan dan via een eenvoudige numerieke berekening het energieverbruik per omwenteling van de nok- of excentriekring worden berekend.

Zoals reeds eerder is vermeld, heeft de uitvinding 10 eveneens betrekking op een inrichting voor het onderzoeken van de slijtage- en wrijvingseigenschappen van loopvlakmate-rialen bij glijdende wrijving.

Volgens de uitvinding wordt deze inrichting gekenmerkt door een houder voor een eerste proefstuk van een eer-15 ste materiaal, een houder voor een tweede proefstuk van een tweede materiaal, aandrijfmiddelen voor het ten opzichte van elkaar bewegen van het eerste en het tweede proefstuk, belastingmiddelen voor het tegen elkaar belasten van het eerste en tweede proestuk, middelen voor het meten van de voor de rela-20 tieve verplaatsing tussen het eerste en het tweede proefstuk benodigde energie, middelen voor het toevoeren van een smeermiddel aan de loopvlakken van het eerste en het tweede proefstuk, middelen voor het verwarmen en op een bepaalde temperatuur houden van het smeermiddel.

25 De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de tekening, die een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding weergeeft.

Fig. 1 is een schematische weergave van een uitvoering van de inrichting volgens de uitvinding voor het onder-30 zoeken van de slijtage- en wrijvingseigenschappen van loop-vlakmaterialen bij glijdende wrijving.

Fig. 2 is een verticale doorsnede van een gedeelte van de inrichting volgens fig. 1.

Fig. 3 is een vooraanzicht, gedeeltelijk in door-35 snede, van de inrichting volgens fig. 2.

Fig. 4 toont een grafiek, waarin het theoretische verloop van het energieverbruik als functie van de smeermiddel temperatuur is weergegeven.

Fig. 5 toont dezelfde grafiek als fig. 4, waarbij 40 het verloop van het energieverbruik voor drie verschillende 8701557 « -4- materiaalcombinaties is geïllustreerd.

In fig. 1 is zeer schematisch de inrichting voor het onderzoeken van slijtage- en wrijvingseigenschappen van loopvlakmaterialen weergegeven. Deze inrichting dient in het 5 bijzonder voor het beproeven van klepplaatjes voor verbrandingsmotoren. De inrichting is voorzien van een houder 1 voor een eerste proefstuk in de vorm van een schijf 2, en een op een horizontale as 3 gemonteerde houder 4 voor het vasthouden van een tweede proefstuk in de vorm van een excentriekring 5. 10 De as 3 is roterend aandrij fbaar met behulp van een electromotor 6, die door middel van een snaaroverbrenging 7 op een de as 3 bevattende asketen 8 aangrijpt. De asketen is gelagerd in twee stijve lagersamenstellen 9 en 10. Tussen de la-gersamenstellen 9 en 10 zijn voorts nog een trillingdemper 11 15 en een koppelopnemer 12 in de asketen 8 opgenomen. Deze kop-pelopnemer 12 dient voor het meten van het door de glijdende wrijving tussen de excentriekring en de schijf ontstane moment op de asketen 8. Op de houder 1 voor het vasthouden van de schijf 2 grijpt een althans ongeveer verticale stang 13 20 aan, welke heen en weer verschuifbaar is geleid en door een spiraalveer 14 wordt voorgespannen, zodanig dat de schijf 2 verend tegen de excentriekring 5 wordt belast.

De spiraalveer 14 steunt via een geleidingselement 15 voor de stang 13 tegen een stoel 16, die is gemonteerd op 25 een huis 17. Tussen de stoel 16 en het huis 17 is een kracht-opnemer 18 aangebracht voor het meten van de door de veer 14 op de stang en derhalve van de schuif 2 op de excentriekring 5 uitgeoefende kracht.

In de inwendige ruimte van het huis 17 bevinden 30 zich de houders 1 en 4 voor de beide proefstukken, respectievelijk de schijf 2 en de excentriekring 5, terwijl deze inwendige ruimte kan worden gevuld met smeermiddel voor het smeren van de beide proefstukken 2 en 5. Op het huis sluit een smeermiddelcirculatie 19 aan, waarin een verwarmingsele-35 ment 20 is opgenomen. Dit verwarmingselement 20 wordt bestuurd met behulp van een temperatuuropnemer 21, die de bulk-temperatuur van het smeermiddel in het huis 17 meet.

De motor 6, de koppelopnemer 12, de krachtopnemer 18, het verwarmingselement 20 en de temperatuuropnemer 21 40 zijn aangesloten op een centrale regel- en registratie-een- 8701557 -5- * heid 22.

In de fig. 2 en 3 is de inrichting voor het onderzoeken van de wrijving tussen loopvlakken meer gedetailleerd weergegeven. Hierin is te zien, dat de houder 4 voor het 5 vasthouden van de excentriekring 5 op de as 3 bestaat uit door de excentriekring 5 en in een borgstuk 23 stekende paspennen 24, en een met een schroef 25 vastzetbaar drukstuk 26, dat de excentriekring 5 tegen het borgstuk 23 drukt.

De houder 1 voor de schijf 2 bestaat uit een kom-10 vormig orgaan, waarbij de schijf 2 in de bodem 27 hiervan is geklemd, terwijl de cilindervormige wand 28 verschuifbaar is geleid in een bus 29, die met behulp van een borgschroef 30 verdraai vast in een omhulling 31 is bevestigd. Deze borgschroef 30 zorgt tevens voor het verhinderen van een ver-15 draaiing van de houder 1 in de bus 29, daar de borgschroef 30 in een langssleuf 32 in de cilindervormige wand 28 van de houder 1 grijpt. De omhulling 31 is in een verdikking van de bovenwand 33 van het huis 17 gemonteerd.

Binnen de cilindrische wand 28 van de houder 1 is 20 een schotel 34 aangebracht met een bolsegmentvormige holte 35. De stang 13 grijpt op de houder 1 aan door middel van een kogel 36, die zich bevindt tussen het onderuiteinde van de stang 13 en de holte 35 in de schotel 34.

Nabij zijn bovenste uiteinde is de stang 13 ver-25 schuifbaar geleid in het geleidingselement 15, dat door middel van een sferisch lager 37 in de stoel 16 is gelagerd. De spiraalveer 14 is opgesloten tussen dit geleidingselement 15 en een op een borst aan de stang 13 rustende veerschotel 38.

Deze spiraalveer 14 belast voortdurend de stang 13 beneden-30 waarts, zodat de schijf 2 tegen de excentriekring 5 wordt gedrukt. Door het sferische lager 37 en de kogelondersteuning is de stang 13 in staat een zuivere drukkracht zonder buigmo-menten op de schijf 2 uit te oefenen.

De krachtopnemer 18 is opgenomen in één van de tap-35 bouten 39 voor het ondersteunen van de stoel 16 op het huis 17. Met behulp van deze krachtopnemer 18 en de koppelopnemer 12 kan de momentane wrijvingscoefficiënt tussen de schijf 2 en de excentriekring 5 worden berekend.

Een voorwand 40 van het huis 17 is doorzichtig uit-40 gevoerd en is eenvoudig losneembaar door het ontkoppelen van 8701 557 -6- >* snelsluitingen 41. Aansluitingen 42 en 43 van het huis zijn aangebracht voor de aansluiting van leidingen van het smeer-middelcirculatiesysteem 19.

De werkwijze volgens de inrichting is als volgt.

5 De as 3 en derhalve de excentriekring 5 wordt met behulp van de electromotor 6 met een bepaald toerental aangedreven. De excentriekring 5 roteert daarbij tegen de schijf 2, waarbij door de spiraalveer 14 een belasting op de schijf 2 wordt uitgeoefend, zodat de schijf 2 de excentriekbeweging 10 van de excentriekring 5 volgt. Het smeermiddel in het huis 17 wordt door de regeleenheid 22 op een constante temperatuur gehouden. Met behulp van de koppelopnemer 12 wordt het door de wrijving tussen de schijf 2 en de excentriekring 5 uitgeoefende tegenmoment op de as 3 gemeten. Uit het constant ge-15 meten moment kan de opgenomen energie door de wrijving tussen de schijf 2 en de excentriekring 5 numeriek worden berekend door de integraal over een omwenteling van het van de hoek afhankelijke moment. Dit energieverbruik wordt tijdens êên omwenteling geregistreerd, alsmede de bijbehorende bulktempe-20 ratuur van het smeermiddel door de regel- en registratie-een-heid 22. Een dergelijke meting wordt een aantal malen herhaald, waarbij telkens de bulktemperatuur van het smeermiddel wordt verhoogd.

Pig. 4 toont een grafiek waarbij op de verticale as 25 het energieverbruik per omwenteling van de excentriekring en op de horizontale as de bulktemperatuur van het smeermiddel is uitgezet. Het verloop van het energieverbruik als functie van de smeermiddeltemperatuur is zodanig karakteristiek dat een aantal eigenschappen van de materiaalcombinatie met be-30 trekking tot de glijdende wrijving en slijtage kan worden afgeleid.

Ten eerste zijn drie temperatuurgebieden I, II en III in het verloop te onderscheiden, die duiden op bepaalde smeringstoestanden. Het eerste gebied I dat loopt tot een 35 overgangstemperatuur T-| duidt op de aanwezighied van volle-filmsmering tussen de schijf 2 en de excentriekring 5. Het energieverbruik is hier laag. Bij het oplopen van de smeermiddeltemperatuur neemt het energieverbruik na de overgangstemperatuur Ti in het gebied II sterk toe, hetgeen kan worden 40 verklaard door het optreden van een gemengde smering tussen 6701557 4» -7- de schijf 2 en de excentriekring 5 waarbij de ruwheidstoppen van beide loopvlakken met elkaar in aanraking komen. Bij toenemende smeermiddeltemperatuur, respectievelijk afnemende smeermiddelviscositeit en derhalve afnemende smeerfilmdraag-5 kracht treedt een steeds intensiever ruwheidstoppencontact op, waardoor de wrijving tussen de beide elementen en bijgevolg het energieverbruik toeneemt.

Bij een overgangstemperatuur T2 gaat de toestand van gemengde smering over in een grenssmeringstoestand (ge-10 bied III), waarbij het energieverbruik niet verder toeneemt bij verhoging van de smeermiddeltemperatuur. Het is zelfs mogelijk dat het energieverbruik gaat dalen, daar bij een bepaalde temperatuur de additieven van het smeermiddel zich aan het metaaloppervlak van de schijf 2 en/of de excentriek-15 ring 5 gaan hechten en als grenssmeermiddel gaan werken.

Het zal duidelijk zijn dat een materiaal gunstige wrijvingseigenschappen bezit, wanneer het energieverbruik laag is en de overgangstemperaturen Tf en T2 hoog liggen. In fig. 5 zijn drie krommen A, B en C weergegeven, waarvan krom-20 me A behoort bij een proefstuk 2 van 52100 staal met opper-vlaktecementering. Kromme B staat voor een proefstuk 2 van DIN 17220 staal met oppervlaktecementering, terwijl kromme C het verloop voorstelt dat behoort bij een proefstuk 2 DIN 17220 staal, dat een vacuum warmtebehandeling heeft 25 ondergaan.

In alle gevallen is een excentriekring 5 toegepast die is vervaardigd van een kogellagerstaal, dat bekend is onder de naam SKF 3, terwijl als smeermiddel normale motorolie is gebruikt.

30 Uit de grafiek van fig. 5 blijkt duidelijk, dat de combinatie van de excentriekring 5 van SKF 3 staal met de schijf 2 van DIN 17220 staal met vacuüm warmtebehandeling de meest gunstige eigenschappen met betrekking tot de glijdende wrijving bezit. Een vergelijking van de slijtageprofielen op 35 de verschillende proefstukschijven 2 wees voorts uit dat deze combinatie ook het meest gunstig is ten aanzien van de slijtage.

Volgens de uitvinding zijn een werkwijze en inrichting voor het onderzoeken van slijtage- en wrijvingseigen-40 schappen van loopvlakmaterialen bij glijdende wrijving ver- 8701 557 ' -8- <* schaft, die zeer eenvoudig zijn, een snel inzicht in het ma-teriaalgedrag geven en betrouwbare resultaten opleveren.

De uitvinding is niet beperkt tot het in het voorgaande beschreven en in de tekening weergegeven uitvoerings-5 voorbeeld, dat op verschillende wijzen binnen het kader van de uitvinding kan worden gevarieerd.

8701557

Claims (13)

1. Werkwijze voor het onderzoeken van glijdende wrijving tussen loopvlakken bij verschillende materiaalcombi-naties hiervan, met het kenmerk, dat een eerste proefstuk van een eerste materiaalsoort en een tweede proef- 5 stuk van een tweede materiaalsoort met hun loopvlakken onder belasting over een afstand langs elkaar worden bewogen onder toevoeging van een smeermiddel tussen de loopvlakken, waarbij de hiervoor benodigde energie wordt gemeten, terwijl vervolgens deze stap een aantal malen wordt herhaald bij verschil- 10 lende bulktemperaturen van het smeermiddel, waarna in een grafiek het gemeten energieverbruik als functie van de bulk-temperatuur van het smeermiddel wordt uitgezet.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide proefstukken onder wisselende 15 belasting langs elkaar worden bewogen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het eerste proefstuk roterend wordt aangedreven, terwijl het tweede proefstuk verend tegen het eerste proefstuk wordt belast.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat als eerste proefstuk een nok- of excentriekring wordt toegepast.

5. Werkwijze volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat het koppel aan de aangedreven as 25 van het eerste proefstuk wordt gemeten.

6. Werkwijze volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat aan het tweede proefstuk de kracht in de richting van de verplaatsing van het eerste proefstuk over het tweede proefstuk wordt gemeten.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het tweede proefstuk in de richting van het eerste proefstuk met een instelbare kracht wordt belast.

8. Inrichting voor het onderzoeken van glijdende 35 wrijving tussen loopvlakken bij verschillende materiaalcombi-naties hiervan, gekenmerkt door een houder voor een eerste proefstuk van een eerste materiaal, een houder voor een tweede proefstuk van een tweede materiaal, aandrijf- 8701 557 -10 V middelen voor het ten opzichte van elkaar bewegen van het eerste en het tweede proefstuk, belastingmiddelen voor het tegen elkaar belasten van het eerste en tweede proestuk, middelen voor het meten van de voor de relatieve verplaatsing 5 tussen het eerste en het tweede proefstuk benodigde energie, middelen voor het toevoeren van een smeermiddel aan de loopvlakken van het eerste en het tweede proefstuk, middelen voor het verwarmen en op een bepaalde temperatuur houden van het smeermiddelen.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de houder van het eerste proefstuk op een roterend aandrijfbare as is aangebracht, terwijl de houder van het tweede proefstuk onder voorspanning verend heen en weer verschuifbaar is gemonteerd.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het eerste proefstuk uit een nok- of excentriekschijf en het tweede proefstuk uit een loodrecht hierop vastgehouden proefplaatje bestaat.

11. Inrichting volgens conclusie 9 of 10, met 20 het kenmerk, dat in de roterend aandrijfbare as van het eerste proefstuk een koppelmeter is opgenomen.

12. Inrichting volgens conclusie 9, 10 of 11, met het kenmerk, dat op de houder van het tweede proefstuk een althans ongeveer verticale stang aangrijpt, 25 welke door een veerorgaan, bij voorkeur een spiraalveer, is voorgespannen, terwijl de stang enerzijds met behulp van een kogel-schaalondersteuning tegen de houder rust en anderzijds verschuifbaar in een door een sferisch lager opgehangen ge-leidingselement is geleid.

13. Inrichting volgens een der conclusies 8-12, met het kenmerk, dat de houder voor het eerste proefstuk en de houder voor het tweede proefstuk zijn ondergebracht in een ruimte van een huis die als smeermiddelreser-voir dient. 8701 557