WO2000043747A1 - Verfahren und vorrichtung zur überlastprüfung von ventilen - Google Patents

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WO2000043747A1
WO2000043747A1 PCT/EP2000/000349 EP0000349W WO0043747A1 WO 2000043747 A1 WO2000043747 A1 WO 2000043747A1 EP 0000349 W EP0000349 W EP 0000349W WO 0043747 A1 WO0043747 A1 WO 0043747A1
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WO
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valve
load
axis
loading
elements
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PCT/EP2000/000349
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Lindner
Jürgen Hennicke
Bernhard Caspers
Hubert Müller
Original Assignee
Cfi Ceramics For Industry Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/46—Component parts, details, or accessories, not provided for in preceding subgroups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0078—Testing material properties on manufactured objects

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for overload testing of valves, preferably ceramic valves for reciprocating engines, the
  • Valve seat and the valve stem are subjected to a load test.
  • the components to be tested are loaded with a characteristic stress that is greater than the maximum stress that occurs in practice. Failing components, e.g. break in the test, can be sorted out. Depending on the level of overload, the remaining components are sufficiently stable for use in practice over the period of the desired service life.
  • Valve proof test methods have already been proposed and used in which the valve stem is subjected to a rotating bending stress.
  • the valve rotating about its axis is by means of Gas burner heated up in the plate area and thermally quenched undefined in a water bath.
  • Valve proof tests of this type thus detect the valve stem, but neglect the valve seat, in which far greater operational stresses occur as a result of the shock contact, the thermal shock in each valve movement cycle and when the overrun valve is switched off.
  • the present invention has set itself the task of avoiding the disadvantages of the prior art and overload test methods and their
  • This object is achieved by a method for overload testing preferably ceramic valves (in particular made of silicon nitride), in which a load test of the valve seat is carried out by tensile loading of the plate rim.
  • the tensile load on the annular plate rim consists in the fact that antiparallel forces act on different points of the plate rim, which preferably run parallel to the axis of the valve stem.
  • the support for the underside of the plate rim necessary for the described test is preferably carried out at two diametrically opposite support points on the valve plate.
  • the selective force loading of the top of the plate rim can take place at two loading points diametrically opposite one another on the valve disk. The resulting tension profile
  • the valve should be rotated around the valve axis during the load test of the valve seat, so that every point on the rim of the plate experiences the checked tensile load once. If two support points and load points are used as described above, one turn of the valve by (at least) 90 ° is sufficient. This makes the test procedure faster and therefore more suitable for series production.
  • valve stem is preferably additionally subjected to a rotating bending stress, since this is a second important type of stress from practice.
  • Tensions are generated in the shoulder area of the shaft.
  • the valve is rotated by at least 180 °, preferably 360 °, around the valve axis during the circumferential bending load so that all points of the stem are subjected to the tested bending load once.
  • the valves can be sorted out which contain errors which lead to breakage under test conditions.
  • the formation of cracks can be monitored during the overload test. This is preferably done by recording acoustic emissions that are caused by cracking.
  • the invention also includes a device for overload testing of valves, preferably ceramic valves.
  • This device contains
  • valve stem into which the valve stem can be inserted
  • the support element and / or the loading element in the direction of the valve axis of an inserted valve can exert a loading force on the plate rim.
  • valve axis of an inserted valve always refers to a valve that has taken the position for the valve seat test.
  • the device preferably contains two support elements which are opposite each other in mirror image with respect to the valve axis defined above.
  • the support elements themselves can be constructed in the same way.
  • the contact points of the support elements with the valve to be tested are diametrically opposed with respect to the plate rim. This minimizes unbalanced loads on the test equipment, since no tilting occurs on the support elements, but only forces in the direction of the valve axis.
  • the support elements preferably have a conical contact surface with an inserted valve, the cone axis being perpendicular to the valve axis. This cone shape enables the valve used to self-adjust.
  • the support elements should also be rotatable about a support element axis which is perpendicular to the valve axis. Then, by rotating the support elements, the valve resting on them can be rotated and the load can be subjected to an all-round load test.
  • the device preferably also contains two loading elements which are opposite each other in mirror image with respect to the valve axis defined above.
  • the loading elements themselves can be constructed in the same way.
  • the contact points of the load elements with the valve to be tested are diametrically opposed with respect to the plate rim. This minimizes unbalanced loads on the test equipment, since no tilting occurs on the load elements, but only forces in the direction of the valve axis.
  • the loading elements preferably have a cylindrical contact surface with an inserted valve, the cylinder axis being perpendicular to the valve axis. The cylinder shape ensures the rotational invariance when the load elements rotate.
  • the axes of rotation of the load elements and support elements are generally identical to the cylinder axes or cone axes of the body. These axes of rotation are preferably perpendicular to one another (and to the valve axis).
  • the loading elements should also be rotatable about a loading element axis which is perpendicular to the valve axis. Then the valve located underneath them can be rotated by rotation of the load elements and thus a continuous load test of the same can take place.
  • the loading elements and / or the supporting elements are preferably displaceable in the direction of the valve axis. Then the arrangement of load elements and support elements can be "opened” to enable the insertion of a valve.
  • the force to be exerted during the test lies just in the direction of the valve axis, i.e. the devices for moving the load or support elements can be used simultaneously for the generation of force.
  • the device according to the invention preferably further contains a device for testing the circulating bending load of the valves.
  • the second important load variable for valves can thus be recorded.
  • Said device should include at least one side loading element which is in contact with the side edge of the plate rim of an inserted valve (i.e. a valve which is in the position to perform the test of the circulating bending load).
  • this side loading element can be defined in
  • the said contact points preferably form an angle of 20 ° to 80 °, particularly preferably approximately 45 °, with the valve axis.
  • the arrangement of two side loading elements has the advantage that the valve rests on the support points formed by them.
  • the contact surface of the side loading elements with an inserted valve is preferably cylindrical, the cylinder axis being parallel to the valve axis.
  • the cylindrical shape allows the valve to be rotated by at least 180 °, preferably 360 °, around the valve axis during the circulating bending load, so that all points of the stem are subjected to the tested bending load once.
  • the side load elements are designed to be rotatable about a load element axis of rotation which is parallel to the valve axis.
  • valve holder of the device according to the invention preferably receives the valve stem so that the latter is held firmly but remains rotatable about its axis. This will ensure that the procedures for
  • valve holder should be pivotable about a pivot axis, preferably in such a way that an inserted valve can be pivoted into a II.
  • Position for the valve stem test of the circulating bending load can be brought.
  • the device according to the invention can contain sensors for detecting overload-related effects. This enables automated detection of failure cases that are not manifested by an obvious break.
  • the device preferably contains acoustic sensors, which are preferably arranged in the support elements, the load elements and / or the side load elements. These sensors make it possible to monitor the acoustic emissions resulting from cracking during the overload test.
  • Fig. 1 shows the device from the side, position I (changing the valve).
  • Fig. 2 shows the device from above, position II (overload test of the
  • FIG. 3 shows the device from the side, position III (rotating bending load of the
  • FIG. 4 shows the device in perspective, position III (circumferential bending load of the valve stem).
  • the mechanical valve proof test in the valve disc area and in the stem area is based on the following principle:
  • Step 1
  • valve 1 to be tested with a certain overload (proof test) is inserted in position I into the valve holder or sensor 2 in an easily rotatable manner according to FIG.
  • the easy rotation is achieved by appropriate ball bearings.
  • Step 2 For the proof test of the valve disk area, valve 1 is rotated from position I by pivoting valve holder 2 by 90 ° around axis 3 (see arrow in FIG. 1) until it reaches position II. In this position II, the valve disk area is between two loading wheels 6 'and 6 "and two support wheels 4' and 4", the axes 7 and 5 of which are arranged perpendicular to one another (cf. FIGS. 1 and 2).
  • the valve By rotating the loading wheels in opposite directions, the valve is now rotated by 90 ° about its axis of rotation 11 under the proof load F p -oofgj t z and is subjected uniformly to a tensile load on the outer rim area of the plate face and in the valve seat.
  • the proof force to be set Fp j -oofsi ⁇ . results from finite element stress analyzes, in which the stresses are determined which result on the one hand from the mechanical shock between the valve and the valve seat and which are caused by the thermal shock load if the valve heated to 900 ° C suddenly shuts off due to cold gases is cooled.
  • the valve in the valve holder 2 is pivoted through 180 ° into the position III (see arrow in FIG. 3).
  • the valve touches the Plate-cylindrical surface (side edge of the plate) the support rollers (side loading elements ) 9 'and 9 "and is bend-loaded by the force Fp roo fs c ⁇ , a f t such that axial tensile stresses occur in the valve in the stem / neck radius transition area, as they do
  • the valve which is subjected to bending, is proof-tested in the entire circumferential area of the shaft / neck radius area (circumferential shaft bending) by rotating the support rollers 9 ', 9 "in the same direction.
  • the valve and valve seat are turned back to position I (see Figure 1).
  • the valve is suitable for use.
  • Acoustic sensors which are arranged both in the valve holder 2 and in the valve loading wheels 6 ′, 6 ′′ and 9 ′, 9 ′′ (not shown), are used for the detection of a crack expansion caused by a proof test.
  • FIG. 4 shows the device according to the invention for overload testing of ceramic valves in the region of the valve plate and the valve stem.
  • the device contains a device 2 for rotatably receiving the
  • Valve a device for overload testing the edge area of the plate face and the valve seat as well as a device for overload testing the valve shaft in the transition area shaft / neck radius. In addition, it has a device for the detection of noise emissions, which are generated by the crack growth of valves to be eliminated in the proof test.
  • the axes 7 of the load rollers 6 ', 6 are arranged perpendicular to the axes 5 of the support wheels 4', 4".
  • the support rollers 4 ', 4 are conical and support the valves in the axial direction by touching the valve seat surface.
  • the cylinder surface of the load rollers 6', 6" load the edge area of the
  • the valve holder 2 with the rotatably inserted valve is pivotable about an angle between 0 ° and 180 °, and the valve is operated by an external force Fproof, Sch a ft 9 ', 9 "is pressed in such a way on the valve holder between two side load wheels, that in the shank Neck radius transition area Tensile stresses in the valve-axial direction arise on the valve surface.
  • the bend-loaded valve is rotated by up to 180 ° about its axis, so that the entire transition region shaft / neck radius is subjected to a rotating bending tensile stress.

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Abstract

Verfahren zur serienmässigen Überlastprüfung (Prooftest) von Ventilen (1) aus (Siliciumnitrid-) Keramik für deren sicheren Einsatz im Hubkolben-Motor, bei welchem der Ventilsitz einer Belastungsprüfung durch Zugbelastung des Tellerrandes unterworfen wird. Die Zugbelastung des Tellerrandes erfolgt durch punktuelles Abstützen der Unterseite des Tellerrandes und punktuelle Kraftbelastung (Fproof,Sitz) der Oberseite des Tellerrandes in Richtung der Ventilachse. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält: a) einen Ventilhalter (2) für den Ventilschaft, b) mindestens ein Abstützelement (4', 4"), welches in Kontakt zur Unterseite des Tellerrandes des Ventils steht, c) mindestens ein Belastungselement (6', 6"), welches in Kontakt zur Oberseite des Tellerrandes des Ventils steht, wobei d) das Abstützelement und/oder das Belastungselement in Richtung der Ventilachse eine Belastungskraft (Fproof,Sitz) auf den Tellerrand ausüben können. Zusätzlich enthält die Vorrichtung vorzugsweise eine Einrichtung zur Prüfung der Umlauf-Biegebelastung der Ventile (1) mit mindestens einem Seitenbelastungselement (9', 9"), welches in Kontakt zum Seitenrand des Tellerrandes eines Ventils steht.

Description

Verfahren und Norrichtung zur Überlastprüfung von Ventilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überlastprüfung von Ventilen, vorzugsweise keramischen Ventilen für Hubkolben-Motoren, wobei der
Ventilsitz und der Ventilschaft einer Belastungsprüfung unterworfen werden.
Nach dem erfolgreichen Einsatz von Ventilen aus Siliciumnitrid-Keramik in Testfahrzeugen und im seriennahen Großversuch mit Hunderten von Fahrzeugen stellt sich die Forderung nach einem für die Serienproduktion geeigneten Prüfverfahren zur
Aussortierung fehlerbehafteter Ventile.
Ein mögliches Prüfverfahren ist dabei die sog. Überlastprüfung ("Prooftest") von keramischen Bauteilen (D. Münz, T. Fett, "Mechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe", Werkstoff-Forschung und -Technik, Heft 8, 1989, Springer- Verlag
Berlin, Heidelberg, New York; A.G. Evans, S.M. Widerhorn, "Prooftesting of Ceramic Materials...", Int. Journ. of Fracture 10, 1974, 379-392). Bei diesen Verfahren werden die zu prüfenden Bauteile mit einer charakteristischen Spannung belastet, welche größer ist als die in der Praxis maximal auftretende Belastung. Versagende Bauteile, die z.B. im Test brechen, können so aussortiert werden. Die übrigen Bauteile sind je nach der Höhe der Überlast für den Einsatz in der Praxis ausreichend im Zeitraum der gewünschten Lebensdauer stabil.
Es wurden bereits Ventil-Prooftest- Verfahren vorgeschlagen und eingesetzt, bei denen der Ventilschaft einer Umlauf-Biegebelastung unterworfen wird. Die im
Labormaßstab bestehenden Verfahren zur Überlastprüfung keramischer Ventile sind damit aber keineswegs in der Lage, das Beanspruchungsprofϊl der Ventil-Einsatzbelastung anzunähern. So werden zwar die minderbelasteten Ventilschäfte durch Umlauf-Biegung überlastgeprüft, der mechanisch und thermisch höher belastete Bereich des Ventilsitzes wird aber - wenn überhaupt - nur durch einen undifferenzierten
Thermoschock proofgetestet. Dazu wird das um seine Achse rotierende Ventil mittels Gasbrenner im Tellerbereich aufgeheizt und Undefiniert in einem Wasserbad thermisch abgeschreckt.
Derartige Ventil-Prooftests erfassen somit zwar den Ventilschaft, vernachlässigen aber den Ventilsitz, in dem weitaus größere Einsatzbelastungen infolge des Stoßkontakts, des Thermoschocks in jedem Ventilbewegungszyklus und bei Schubabschaltung auftreten.
Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und Überlast-Prüfverfahren sowie zu deren
Durchführung geeignete Vorrichtungen vorzuschlagen, bei welchen der Test eine hohe Korrelation zu den Einsatzbelastungen des Ventils in der Praxis aufweist. Ferner soll damit eine serienmäßige Überlastprüfung möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überlastprüfung von vorzugsweise keramischen Ventilen (insbesondere aus Siliciumnitrid) gelöst, bei welchem eine Belastungsprüfung des Ventilsitzes durch Zugbelastung des Tellerrandes erfolgt. Die Zugbelastung des ringförmigen Tellerrandes besteht dabei darin, daß an verschiedenen Punkten des Tellerrandes antiparallele Kräfte angreifen, welche vorzugsweise parallel zur Achse des Ventilschaftes verlaufen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also keine undifferenzierte Thermo- schock-Prüfung vorgenommen, deren Ablauf großen Schwankungen unterworfen ist und deren Aussagekraft damit fraglich erscheint. Statt dessen wird eine Zugbelastung auf den Tellerrand ausgeübt, was sich unter präzise definierten Bedingungen durchführen läßt. Dieser Test vermeidet außerdem eine thermische Belastung des keramischen Bauteils, welche bekanntermaßen das zu prüfende Bauteil verändert und seine Stabilität in der Regel herabsetzt (A.G. Evans, S.M. Wiederhorn, "Prooftesting of Ceramic Materials - An Analytical Basis for Failure Prediction", Int. Journ. of Fracture 10, 1974, 379-392).). Vorzugsweise erfolgt die Zugbelastung des Tellerrandes durch punktuelles Abstützen seiner Unterseite und punktuelle Kraftbelastung seiner Oberseite in Richtung der Ventilachse. Derartige Belastungen entsprechen den in der Praxis vorkommenden Bedingungen und lassen sich andererseits maschinell gut simulieren.
Die für den beschriebenen Test notwendige Abstützung der Unterseite des Tellerrandes erfolgt vorzugsweise an zwei auf dem Ventilteller diametral gegenüberliegenden Stützpunkten. Alternativ oder zusätzlich kann die punktuelle Kraftbelastung der Oberseite des Tellerrandes an zwei auf dem Ventilteller diametral gegenüberliegen- den Belastungspunkten erfolgen. Das sich damit einstellende Profil der Zugspannung
(zwei Wechsel der Kraftrichtung entlang des Tellerrandes) liefert eine sehr praxisnahe Belastung.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Stützpunkte und die Belastungspunkte um 90° versetzt zueinander liegen, sich also entlang des Tellerrandes eine alternierende
Folge von Stützpunkten und Belastungspunkten ergibt.
Zur Vervollständigung des Belastungstests sollte das Ventil während der Belastungsprüfung des Ventilsitzes um die Ventilachse gedreht werden, so daß jeder Punkt auf dem Tellerrand einmal die abgeprüfte Zugbelastung erfährt. Wenn wie oben beschrieben je zwei Stützpunkte und Belastungspunkte angesetzt werden, reicht hierfür bereits eine Drehung des Ventils um (mindestens) 90°. Das Prüfverfahren wird dadurch schneller und damit für den Serieneinsatz geeigneter.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich der Ventilschaft einer Umlauf-Biegebelastung unterworfen, da es sich hierbei um eine zweite wichtige Belastungsart aus der Praxis handelt.
Dies kann so geschehen, daß auf den Tellerrand eine Biegekraft senkrecht zur Ventil- achse ausgeübt wird, als ob der Ventilschaft verbogen werden sollte. Damit können
Spannungen im Bereich der Schulter des Schaftes erzeugt werden. Vorteilhafterweise wird das Ventil während der Umlauf-Biegebelastung um mindestens 180°, vorzugsweise um 360°, um die Ventilachse gedreht, damit alle Punkte des Schaftes einmal der abgeprüften Biegebelastung unterworfen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Ventile aussortiert werden, welche Fehler enthalten, die unter Testbedingungen zum Bruch führen. Um aber auch solche Versagensfälle automatisiert erkennen zu können, die sich nicht durch einen offensichtlichen Bruch manifestieren, kann die Bildung von Rissen während der Überlastprüfung überwacht werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Erfassung akustischer Emissionen, welche von einer Rißbildung ausgehen.
Zur Erfindung gehört weiterhin eine Vorrichtung zur Überlastprüfung von Ventilen, vorzugsweise keramischen Ventilen. Diese Vorrichtung enthält
a) einen Ventilhalter, in den der Ventilschaft eingesetzt werden kann,
b) mindestens ein Abstützelement, welches in Kontakt zur Unterseite des Tellerrandes eines eingesetzten Ventils steht,
c) mindestens ein Belastungselement, welches in Kontakt zur Oberseite des Tellerrandes eines eingesetzten Ventils steht,
wobei
d) das Abstützelement und/oder das Belastungselement in Richtung der Ventilachse eines eingesetzten Ventils eine Belastungskraft auf den Tellerrand ausüben können.
Die "Ventilachse eines eingesetzten Ventils" bezieht sich dabei immer auf ein Ventil, welches die Position zur Ventilsitzprüfung eingenommen hat. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es serienmäßig möglich, keramische Ventile praxisnah und mit möglichst geringer Veränderung der Ventils durch den Test zu prüfen. Die am Ventil angreifenden Prooftest-Kräfte sind bei der Vorrichtung so angeordnet, daß ihr mechanisches Spannungsfeld weitgehend dem des einsatzbelasteten Ventils entspricht.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung zwei Abstützelemente, welche sich in bezug auf die oben definierte Ventilachse spiegelbildlich gegenüberliegen. Die Abstützele- mente selbst können gleichartig aufgebaut sein. Die Kontaktpunkte der Abstützelemente mit dem zu prüfenden Ventil liegen sich bezüglich des Tellerrandes diametral gegenüber. Damit werden unausgewogene Belastungen für die Prüfapparatur minimiert, da an den Abstützelementen keine Verkantungen, sondern nur Kräfte in Richtung der Ventilachse auftreten.
Die Abstützelemente haben vorzugsweise eine konische Kontaktfläche mit einem eingesetzten Ventil, wobei die Konusachse senkrecht zur Ventilachse steht. Durch diese Kegelform wird eine Selbstjustierung des eingesetzten Ventils erzielt.
Die Abstützelemente sollten ferner drehbar um eine Abstützelement-Achse sein, welche senkrecht zur Ventilachse steht. Dann kann durch Rotation der Abstützelemente das auf ihnen aufliegende Ventil gedreht werden und somit eine umlaufende Belastungsprüfung desselben stattfinden.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung ferner zwei Belastungselemente, welche sich in bezug auf die oben definierte Ventilachse spiegelbildlich gegenüberliegen. Die Belastungselemente selbst können gleichartig aufgebaut sein. Die Kontaktpunkte der Belastungselemente mit dem zu prüfenden Ventil liegen sich bezüglich des Tellerrandes diametral gegenüber. Damit werden unausgewogene Belastungen für die Prüf- apparatur minimiert, da an den Belastungselementen keine Verkantungen, sondern nur Kräfte in Richtung der Ventilachse auftreten. Die Belastungselemente haben vorzugsweise eine zylinderförmige Kontaktfläche mit einem eingesetzten Ventil, wobei die Zylinderachse senkrecht zur Ventilachse steht. Durch die Zylinderform wird die Rotationsinvarianz bei Drehung der Belastungsele- mente gewährleistet.
Die Drehachsen der Belastungselemente und Abstützelemente sind in der Regel identische mit den Zylinderachsen bzw. Konusachsen der Körper. Vorzugsweise stehen diese Drehachsen senkrecht zueinander (und zur Ventilachse).
Die Belastungselemente sollten ferner drehbar um eine Belastungselement-Achse sein, welche senkrecht zur Ventilachse steht. Dann kann durch Rotation der Belastungselemente das unter ihnen liegende Ventil gedreht werden und somit eine umlaufende Belastungsprüfung desselben stattfinden.
Vorzugsweise sind die Belastungselemente und/oder die Abstützelemente in Richtung der Ventilachse verschiebbar. Dann kann die Anordnung aus Belastungselementen und Abstützelementen "geöffnet" werden, um das Einsetzen eines Ventils zu ermöglichen. Andererseits liegt die während der Prüfung auszuübende Kraft gerade in Richtung der Ventilachse, d.h. die Einrichtungen zur Bewegung der Belastungsoder Abstützelemente können gleichzeitig für die Krafterzeugung eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält weiterhin vorzugsweise eine Einrichtung zur Prüfung der Umlauf-Biegebelastung der Ventile. Damit kann die zweite wichtige Belastungsgröße für Ventile erfaßt werden.
Die genannte Einrichtung sollte mindestens ein Seitenbelastungselement enthalten, welches in Kontakt zum Seitenrand des Tellerrandes eines eingesetzten Ventils steht (d.h. eines Ventils, das sich in der Position zur Durchführung des Tests der Umlauf- Biegebelastung befindet). Durch dieses Seitenbelastungselement kann in definierter
Weise eine Kraft auf den Ventilteller ausgeübt werden, welche zu einer Verbiegung des Schaftes führt. Damit können geeignete Spannungen im Bereich der Schulter des Schaftes erzeugt werden.
Vorzugsweise sind zwei Seitenbelastungselemente vorhanden, welche an zwei Punkten Kontakt zum Seitenrand des Tellerrandes eines eingesetzten Ventils haben.
Diese Punkte dürfen sich dabei auf dem Teller nicht diametral gegenüberliegen, denn dann würden sich die von den Seitenbelastungselementen ausgeübten Kräfte gerade aufheben. Vorzugsweise bilden die genannten Kontaktpunkte mit der Ventilachse einen Winkel von 20° bis 80°, besonders bevorzugt ca. 45°. Die Anordnung von zwei Seitenbelastungselementen hat den Vorteil, daß das Ventil auf den von ihnen gebildeten Stützpunkten stabil aufliegt.
Vorzugsweise ist die Kontaktfläche der Seitenbelastungselemente mit einem eingesetzten Ventil zylinderförmig, wobei die Zylinderachse parallel zur Ventilachse steht. Die Zylinderform erlaubt es, das Ventil während der Umlauf-Biegebelastung um mindestens 180°, vorzugsweise um 360°, um die Ventilachse zu drehen, damit alle Punkte des Schaftes einmal der abgeprüften Biegebelastung unterworfen werden.
Zur Gewährleistung dieser Drehbarkeit sind die Seitenbelastungselemente drehbar um eine Belastungselement-Drehachse ausgebildet, welche parallel zur Ventilachse steht.
Der Ventilhalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung nimmt den Ventilschaft vorzugsweise so auf, daß letzterer zwar fest gehalten wird, aber drehbar um seine Achse bleibt. Dadurch wird sichergestellt, daß die oben beschriebenen Verfahren zur
Rundum-Prüfung des Ventils mittels Drehung desselben möglich sind.
Weiterhin sollte der Ventilhalter schwenkbar um eine Schwenkachse sein, vorzugsweise derart, daß ein eingesetztes Ventil durch Schwenken in eine II. Position zur Ventilsitzprüfung und gegebenenfalls in eine III. Position zur Ventilschaftprüfung der Umlauf-Biegebelastung gebracht werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Sensoren zur Erfassung von überlastbedingten Effekten enthalten. Damit können auch solche Versagensfälle automatisiert erkannt werden, die sich nicht durch einen offensichtlichen Bruch manifestieren.
Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung vorzugsweise akustische Sensoren, welche vorzugsweise in den Abstützelementen, den Belastungselementen und/oder den Seitenbelastungselementen angeordnet sind. Diese Sensoren erlauben es, die akustischen Emissionen, welche von einer Rißbildung ausgehen, während der Überlastprüfung zu überwachen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung von der Seite, Position I (Wechseln des Ventils). Fig. 2 zeigt die Vorrichtung von oben, Position II (Überlastungsprüfung des
Ventilsitzes). Fig. 3 zeigt die Vorrichtung von der Seite, Position III (Umlauf-Biegebelastung des
Ventilschaftes). Fig. 4 zeigt die Vorrichtung perspektivisch, Position III (Umlauf-Biegebelastung des Ventilschaftes).
Der mechanische Ventil-Prooftest im Ventiltellerbereich und im Schaftbereich erfolgt nach folgendem Prinzip:
Schritt 1 :
Das mit einer bestimmten Überlast (Prooftest) zu prüfende Ventil 1 wird gemäß Figur 1 in Position I in den Ventilhalter bzw. -aufnehmer 2 leicht drehbar eingebracht. Die leicht gängige Drehbarkeit wird durch entsprechende Kugellager erreicht.
Schritt 2: Zum Prooftest des Ventiltellerbereiches wird das Ventil 1 aus der Position I durch Schwenken des Ventilhalters 2 um 90° um die Achse 3 gedreht (s. Pfeil in Figur 1), bis er die Position II erreicht. In dieser Position II befindet sich der Ventiltellerbereich zwischen zwei Belastungsrädern 6' und 6" und zwei Abstützrädern 4' und 4", deren Achsen 7 bzw. 5 senkrecht zueinander angeordnet sind (vgl. Figur 1 und 2).
Durch eine Bewegung der Tellerrand-Belastungsrollen 6', 6" parallel zur Ventilachse berühren diese den Rand der Ventil-Tellerplanfläche und schieben das Ventil 1 solange in Achsrichtung weiter, bis es im Bereich des kegelförmig geneigten Ventil- sitzes den kegelförmig ausgebildeten Bereich der Stützräder 4' und 4" kontaktiert.
Durch eine Proofkraft FproofSjtz der Belastungsräder 6' und 6" wird nun der Tellerrand sowohl im Bereich der Tellerplanfläche als auch im Bereich des Ventilsitzes so einer Biegebelastung ausgesetzt, daß Zugspannungen in Tellerumfangsrich- tungen auftreten, die bei Schubabschaltung auch im einsatzbelasteten Ventil entstehen.
Durch eine gegensinnige Rotation der Belastungsräder wird nun unter der Proof- last Fp-oofgjtz das Ventil um seine Rotationsachse 11 um 90° gedreht und dabei im gesamten Tellerrandbereich gleichmäßig einer Zugbelastung auf dem äußeren Rand der Tellerplanfläche und im Ventilsitz unterworfen. Die einzustellende Proof- kraft Fpj-oofsi^. ergibt sich aus Finite-Element-Spannungsanalysen, in denen die Spannungen bestimmt werden, die sich einerseits aus dem mechanischen Stoß zwischen Ventil und Ventilsitz ergeben und die durch die Thermoschockbelastung hervorgerufen werden, wenn das auf 900°C erhitzte Ventil durch Schubabschaltung plötzlich durch kalte Gase abgekühlt wird.
Schritt 3:
Für die Überlastprüfung des Ventilschaftes wird nach einer Rückbewegung der Belastungsrollen 6' und 6" das Ventil im Ventilhalter 2 um 180° in die Position III geschwenkt (s. Pfeil in Figur 3). In dieser Position III berührt das Ventil mit der Teller-Zylinderfläche (Seitenrand des Tellers) die Stützrollen (Seitenbelastungselemente) 9' und 9" und wird durch die Kraft Fproofscι,aft derart biegebelastet, daß im Schaft/Halsradius-Übergangsbereich axiale Zugspannungen im Ventil auftreten, wie sie auch im Einsatz durch Zylinderkopfverzug entstehen können. Durch eine gleichsinnige Rotation der Stützrollen 9', 9" wird das auf Biegung belastete Ventil im gesamten Umfangsbereich des Schaft/Halsradius-Bereiches proofgetestet (Schaftum- laufbiegung). Zum Abschluß des Prooftestzyklus werden Ventil und Ventilaufnahme in die Position I zurückgedreht (siehe Figur 1).
Schritt 4:
Hat das proofgetestete Ventil die beiden einsatzrelevanten Umlauf-Biegebelastungen im Tellerrandbereich und im Übergangsbereich Halsradius/Schaft ohne Bruch und ohne Rißwachstum überstanden, so ist das Ventil für den Einsatz geeignet. Für den Nachweis einer eventuell Prooftest-verursachten Rißerweiterung dienen akustische Sensoren, die sowohl im Ventilhalter 2 als auch in den Ventil-Belastungsrädern 6', 6" und 9', 9" angeordnet sind (nicht dargestellt).
In Figur 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überlast-Prüfung von keramischen Ventilen im Bereich des Ventiltellers und des Ventilschaftes perspektivisch dargestellt. Die Vorrichtung enthält eine Einrichtung 2 zur drehbaren Aufnahme des
Ventils, eine Einrichtung zur Überlast-Prüfung des Randbereiches der Tellerplanfläche und des Ventilsitzes sowie eine Einrichtung zur Überlastprüfung des Ventilschaftes im Übergangsbereich Schaft/Halsradius. Außerdem hat sie eine Einrichtung zum Nachweis von Schallemissionen, die durch das Rißwachstum auszuscheidender Ventile beim Prooftest erzeugt werden.
Die Achsen 7 der Belastungsrollen 6', 6" sind senkrecht zu den Achsen 5 der Abstützräder 4', 4" angeordnet. Die Stützrollen 4', 4" sind konusförmig ausgebildet und stützen die Ventile in axialer Richtung durch Berührung in der Ventilsitzfläche ab. Die Zylinderfläche der Belastungsrollen 6', 6" belasten den Randbereich der
Tellerplanfläche. Durch eine gegensinnige Rotation der Belastungsrollen 6', 6" wird das rotierbar im Ventilhalter 2 eingebaute Ventil um mindestens den Winkel 90° gedreht und dabei im gesamten Umfangsbereich der Tellerplanfläche und des Ventilsitzes proofgetestet.
Der Ventilhalter 2 mit dem drehbar eingesetzten Ventil ist um einen Winkel zwischen 0° und 180° schwenkbar, und das Ventil wird durch eine äußere Kraft Fproof,Schaft am Ventilhalter zwischen zwei Seitenbelastungsräder 9', 9" derart eingedrückt, daß im Schaft-Halsradius-Übergangsbereich Zugspannungen in ventil- axialer Richtung an der Ventiloberfläche entstehen.
Durch eine Rotation der Seitenbelastungsräder 9', 9" wird das biegebelastete Ventil um bis zu 180° um seine Achse gedreht, so daß der gesamte Übergangsbereich Schaft/Halsradius einer Umlauf-Biegezugbeanspruchung unterworfen wird.
1 Ventil
I Position zum Wechseln des Ventils
2 Ventilhalter
3 Drehachse des Ventilhalters
6', 6" Belastungselemente
T, 7" Drehachsen der Belastungselemente
Kontaktfläche
4', 4" Abstützelemente
5', 5" Drehachsen der Abstützelemente
11 Ventilachse
Bewegungsrichtung
9', 9" Seitenbelastungselement
10', 10" Drehachsen der Seitenbelastungselemente
Kontakt fläche
Kontakt fläche
Zylinderachse
II Position zur Überlastungsprüfung des Ventilsitzes
III Position zur Überlastungsprüfung des Ventilschafts
Umlauf-Biegebelastung
Fproof,Schaft Proofkraft senkrecht zur Ventilachse
Pproof,Sitz Proofkraft in Richtung Ventilachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Uberlastprüfüng von Ventilen (1), bei welchem der Ventilsitz einer Belastungsprüfung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsprüfung des Ventilsitzes durch Zugbelastung des Tellerrandes erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugbelastung des Tellerrandes durch punktuelles Abstützen der Unterseite des Tellerrandes und punktuelle Kraftbelastung (FproofSitz) der Oberseite des Tellerrandes in
Richtung der Ventilachse erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung der Unterseite des Tellerrandes an zwei gegenüberliegenden Stützpunkten und/oder die punktuelle Kraftbelastung der Oberseite des Tellerrandes an zwei gegenüberliegenden Belastungspunkten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte und die Belastungspunkte um 90° versetzt zueinander liegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (1) während der Belastungsprüfung des Ventilsitzes um mindestens 90° um die Ventilachse gedreht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft einer Umlauf-Biegebelastung unterworfen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Tellerrand eine Biegekraft (Fproofschaft) senkrecht zur Ventilachse ausgeübt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil während der Umlauf-Biegebelastung um mindestens 180° um die Ventilachse gedreht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung von Rissen während der Überlastprüfung überwacht wird, vorzugsweise durch Erfassung akustischer Emissionen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile vorzugsweise aus Siliciumnitrid geprüft werden.
11. Vorrichtung zur Überlastprüfung von Ventilen (1), dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält
a) einen Ventilhalter (2) zur drehbaren Aufnahme des Ventils im
Ventilschaft, b) mindestens ein Abstützelement (4', 4"), welches im Kontakt mit dem
Ventilsitz in Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen Ventils steht, c) mindestens ein Belastungselement (61, 6"), welches im Kontakt zur
Oberseite des Tellerrandes im Bereich der Tellerplanfläche eines in
Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen Ventils steht,
wobei
d) die Belastungs-/ Abstützelemente in Richtung der Ventilachse (11) eines in Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen Ventils eine Belastungskraft (Fproof gjtz) auf den Tellerrand ausüben können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Abstützelemente (4', 4") enthält, welche sich in bezug auf die Ventilachse (11) eines in Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen Ventils (1) spiegelbildlich gegenüberliegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt- fläche der Abstützelemente (4', 4") mit einem in Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen Ventil (1) konusförmig ist, wobei die Konusachsen (5', 5") senkrecht zur Ventilachse (11) stehen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützelemente (4', 4") drehbar um Abstützelement- Achsen (5', 5") sind, welche senkrecht zur Ventilachse (11) stehen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Belastungselemente (6', 6") enthält, welche sich in bezug auf die Ventilachse (11) eines in Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen
Ventils (1) spiegelbildlich gegenüberliegen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche der Belastungselemente (&, 6") mit einem in Position (II) zur Ventil- sitzprüfung befindlichen Ventil (1) zylinderförmig ist, wobei die Zylinderachsen (T, 7") senkrecht zur Ventilachse (11) stehen.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungselemente (6', 6") drehbar um Belastungselement-Dreh- achsen (T, 7") sind, welche senkrecht zur Ventilachse (11) stehen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungselemente (6', 6") und/oder die Abstützelemente (4', 4") in Richtung der Ventilachse (1 1) eines in Position (II) zur Ventilsitzprüfung befindlichen Ventils (1) verschiebbar sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Prüfung der Umlauf-Biegebelastung der Ventile (1) enthält.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Seitenbelastungselement (9 9") enthält, welches in Kontakt zum Seitenrand des Tellerrandes eines in Position (III) zur Umlauf-Biegebelastung befindlichen Ventils steht.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Seitenbelastungselemente (9', 9") enthält, welche an zwei Punkten Kontakt zum Seitenrand des Tellerrandes eines in Position (III) zur Umlauf-Biegebelastung befindlichen Ventils haben, wobei die Punkte sich auf dem Teller nicht diametral gegenüberliegen.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der Seitenbelastungselemente (9', 9") mit einem in Position (III) zur Umlauf-Biegebelastung befindlichen Ventil (1) zylinderför- mig ist, wobei die Zylinderachsen (10', 10") parallel zur Ventilachse (11) stehen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenbelastungselemente (9', 9") drehbar um eine Belastungselement-Drehachse (10', 10") sind, welche parallel zur Ventilachse (11) stehen.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilhalter (2) den Ventilschaft drehbar um die Achse des Ventilschafts aufnimmt.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhalter (2) schwenkbar um eine Schwenkachse (3) ist, vorzugsweise derart, daß ein eingesetztes Ventil durch Schwenken in die Position (II) zur Ventilsitzprüfung und gegebenenfalls in die Position (III) zur Schaft- Umlauf-Biegebelastung gebracht werden kann.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß sie Sensoren zur Erfassung von Überlastungseffekten enthält.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie akustische
Sensoren enthält, welche vorzugsweise in den Abstützelementen (4', 4"), den Belastungselementen (6', 6") und/oder den Seitenbelastungselementen (9', 9") angeordnet sind.
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