WO2008083961A1

WO2008083961A1 - Verfahren zur hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen bauteilen

Info

Publication number: WO2008083961A1
Application number: PCT/EP2008/000118
Authority: WO
Inventors: Eberhard Schlücker
Original assignee: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2008-07-17
Also published as: EP2100124A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen Bauteilen, bei dem unter Verwendung einer Druckflüssigkeit als Prüfmedium die Bauteile unter pulsierendem Hochdruck auf Ermüdung geprüft werden, wird derart vorgegangen, dass als Prüfmedium bei der Hochdruckpulsationsprüfung eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.

Description

Verfahren zur Hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen Bauteilen, bei dem unter Verwendung einer Druckflüssigkeit als Prüfmedium die Bauteile unter pulsierendem Hochdruck auf Ermüdung geprüft werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ganz allgemein im Maschinenbau ist es heutzutage in immer größerem Umfang erforderlich, maschinelle Bauteile auf Ermüdung zu prüfen. Dies erfolgt mittels verschiedener Prüfmaschinen, wobei beispielsweise Pleuel, Turbinenschaufeln, Nockenwellen und dgl. auf Ermüdung geprüft werden.

So benötigt auch im Automobilbau die moderne Common-Rail-Dieseltechnik für die Prüfung der einschlägigen Motorenbauteile Druckpulsationsprüfungen, die vorzugsweise hydraulisch erfolgen und bei denen Einsatzdrücke bis 2.200 bar zur Anwendung gelangen.

Die am häufigsten eingesetzte Technik ist das hydraulische Prüfprinzip. Hierbei wird mit Hilfe einer rotierenden Verdrängerpumpe, meist einer Zahnradpumpe, Öl unter Druck zirkuliert und über gesteuerte Ventile, abhängig von der gewünschten Prüffrequenz, einer Druckübersetzereinheit zugeleitet. Durch die Zirkulation sowie die für die Kompression beteiligte Ölmenge liegt der Wirkungsgrad der Prüfmaschine lediglich zwischen 30 und 40%. Die erreichbaren Prüffrequenzen liegen im Bereich bis etwa 15 Hz. Der Vorteil dieser Technik ist der breite Frequenzbereich sowie die Einstellbarkeit von Belastungscharakteristiken, wie Sinusform, nahezu Rechteckform, Einzelhubabruf usw., sowie die Möglichkeit der lastorientierten oder wegorientierten Fahrweise. Nachteilig ist hierbei, wie schon erwähnt, der geringe Wirkungsgrad der Prüfmaschine.

Als Prüfmaschinen sind weiterhin mechanisch agierende Pulsatoren bekannt. Diese beruhen auf dem Prinzip des Geradschubkurbeltriebs, der für die Anwendung in der Regel mit einem Hubverstellsystem ausgestattet ist. Der Hub und damit auch der Druck lassen sich während des Betriebs einstellen. Vorteilhaft ist hierbei der Wirkungsgrad, der bei über 80 % liegt. Nachteilig ist jedoch, dass eine lastorientierte Fahrweise nicht möglich ist.

Schließlich sind als Prüfmaschinen sog. Resonatoren bekannt, bei denen der Pulsationshub durch Feder-Masse-Systeme, angeregt durch Unwuchtmotoren, erzeugt wird. Diese Technik wurde erst in jüngster Zeit auf die Hochdruckpulsationsprüfung übertragen. Der Hub und die Kraft sind hierbei in gewisser Weise einstellbar. Außerdem ist der Wirkungsgrad ähnlich hoch wie bei den mechanisch agierenden Pulsatoren.

Als nachteilig bei sämtlichen bekannten Pulsatoren ist jedoch anzusehen, dass als Prüfmedium Öl verwendet wird. Hierbei erreichen die Prüfdrücke Werte bis zu 4.000 bar, und es ist auch schon erwünscht bzw. beabsichtigt, Prüfdrücke bis 6.000 bar anzuwenden. Bei solchen Prüfdrücken ist die Kompressibilität des Prüfmediums von großer Bedeutung, da diese das erforderliche Verdrängungsvolumen des Pulsators festlegt. Da jedoch das als Prüfmedium zur Anwendung gelangende Öl immer noch eine nicht zu vernachlässigende Kompressibilität aufweist, ist die Leistungsfähigkeit der betreffenden Pulsatoren noch nicht vollständig zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, zur Vermeidung dieser Nachteile ein verbessertes Verfahren zur Hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen Bauteilen zu schaffen. Die Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen Bauteilen, bei dem unter Verwendung einer Druckflüssigkeit als Prüfmedium die Bauteile unter pulsierendem Hochdruck auf Ermüdung geprüft werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das als Prüfmedium bei der Hochdruckpulsationsprüfung eine ionische Flüssigkeit oder eine Mischung aus ionischen Flüssigkeiten verwendet wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet, die eine geringe Kompressibilität aufweist. Hierbei kann der ionischen Flüssigkeit auch ein chemischer Zusatzstoff zur Reduktion deren Kompressibilität zugesetzt werden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet wird, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Dies kann beispielsweise einen Temperaturbeständigkeit von wenigstens 300° C sein.

In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als ionische Flüssigkeit entweder eine organische ionische Flüssigkeit und/oder eine anorganische ionische Flüssigkeit oder aber eine Mischung aus diesen beiden Flüssigkeiten verwendet wird.

Besondere Vorteile ergeben sich schließlich, wenn man die als Hochdruckprüfmedium zur Anwendung gelangende ionische Flüssigkeit gleichzeitig auf zwei oder mehr Prüfkörper einwirken lässt.

Durch die Erfindung werden zahlreiche überraschende Vorteile erzielt.

So ist auf Grund der geringen Kompressibilität der zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeiten auch das Verdrängervolumen der Prüfmaschinen entsprechend geringer. Es können somit mit einer vorhandenen Maschine entweder mehr Bauteile gleichzeitig parallel oder aber größere einzelne Bauteile geprüft werden. Die geringere Kompressibilität der zu Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeiten erlaubt es somit, die Prüfung mit vorhandenen Prüfmaschinen auf größere Bauteile auszudehnen. Sofern daher mit einer einzigen Prüfmaschine beispielsweise nicht nur ein einziges Bauteil, sondern gleichzeitig zwei oder mehr Bauteile geprüft werden, bedeutet dies einen verringerten Prüfaufwand, was einen überzeugenden wirtschaftlichen Vorteil darstellt.

Hinzu kommt außerdem der Umstand, dass sich die Reduktion der Kompressibilität der zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeit umso wirkungsvoller auswirkt, je mehr Prüfflüssigkeit in der Prüfmaschine gleichzeitig unter Druck steht. Dies wirkt sich insbesondere bei hydraulischen Prüfmaschinen aus, da dadurch beispielsweise die Prüffrequenz gesteigert wird oder die Schalthydraulik effizienter werden kann.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, existieren bereits einige ionische Fluide, die etwa ein Drittel der Kompressibilität von Mineralöl besitzen. Dies wird auch an Hand von Fig. 2 deutlich, die den Verlauf einiger Fördergradkurven in Abhängigkeit vom Förderdruck zeigt. Hierbei ist lediglich beispielshalber die Wirkungsgradsteigerung an einer hydraulischen Membranpumpe gezeigt, die sich bei Verwendung einer gering kompressiblen ionischen Flüssigkeit ergibt.

Es kann somit, wie bereits dargelegt, durch den Einsatz von ionischen Fluiden als Prüfmedium ein großer wirtschaftlicher Vorteil erreicht werden.

Die in Fig. 1 an dritter Stelle aufgeführte ionische Flüssigkeit [EMIM] [EtSO₄] besitzt lediglich ein Drittel der Kompressibilität von Öl.

Wie außerdem schon dargelegt, ergeben sich weitere Vorteile, wenn als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet wird, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Hierbei besteht eine typische Mischung aus Lithium-Nitrat, Kalium-Nitrat, Nitrit und Resten anderer Inhaltsstoffe. Es können sogar mit noch zu schaffenden ionischen Flüssigkeiten anderer Art höhere Temperaturen erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Gruppe der ionischen Flüssigkeiten ist ihre chemische Inertheit, so dass kaum Angriffe auf Werkstoffe zu befürchten sind.

Lediglich des Verständnisses halber sei an dieser Stelle dargelegt, dass die erfindungsgemäß zu verwendenden ionischen Flüssigkeiten (engl.: lonic Liquids = IL) Flüssigkeiten sind, die ausschließlich Ionen enthalten. Es handelt sich also um flüssige Salze, deren Schmelzpunkte unter beispielsweise 100° C liegen. Es sollen also unter ionischen Flüssigkeiten solche Substanzen verstanden werden, die aus Kationen und Anionen bestehen. Hierbei sind auch Mischungen von mehreren Kationen und Anionen möglich.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht der Druckaufbau in einem Pulsator etwa folgendermaßen: a) Ein Ladesystem setzt den Kolbenarbeitsraum unter einen Ladedruck, der einen unteren Druckwert darstellt. Dieser Kolbenarbeitsraum ist komplett gefüllt und weist keinerlei Gasblasen auf. b) An den Kolbenarbeitsraum sind die als Prüfkörper dienenden maschinellen Bauteile angeschlossen. Diese sind ebenfalls komplett gefüllt und gasfrei. c) Der Rauminhalt des Prüfkörpers, des Kolbenarbeitsraumes sowie eventuell installierter Rohrleitungen bildet das Kompressionsvolumen V. d) Der Kolben des Pulsators komprimiert dieses Kompressionsvolumen V, bis - eingestellt durch das Hubvolumen (Hub x Kolbenquerschnitt) - der gewünschte maximale Prüfdruck erreicht wird. Danach geht der Kolben in seine

Ausgangslage zurück. Druckflüssigkeit, die über die Kolbenabdichtung als Leck verloren ging, wird durch das Ladesystem am Ende des Rückhubes ergänzt. Hierbei ergibt sich auf Grund der geringen Kompressibilität der erfindungsgemäß zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeit ein geringerer Hub bzw. ein erreichbarer höherer Druck. e) Die übliche Kolbenbewegung folgt einem Sinusverlauf. Hierbei folgt die Druckamplitude aus Maximaldruck - Ladedruck. Ein typisches Druckniveau für die Prüfung von Common-Rail-Bauteilen liegt bei 3 000 bar Bei diesem Druckniveau hatte Ol eine Kompressibilität von 25 bis 30%

Jeder Prüfkörper muss mit einer bestimmten Druckamplitude mindestens 5 Millionen Lastwechsel aushalten Manche Prufregeln verlangen sogar 10 Millionen Lastwechsel Dies entspricht bei 10 Hz Pruffrequenz einer Pruflaufzeit von 11 ,5 Tagen ä 24 Stunden

Da die erfindungsgemaß zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeiten auch eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen können, ergibt sich auch die Möglichkeit, die Hochdruckpulsationsprufung bei höheren Temperaturen durchzufuhren

Bei der Hochdruckpulsationsprufung geht außerdem die Tendenz zur Prüfung von immer größeren Bauteilen Vorhandene Prüfmaschinen stoßen dabei bei Verwendung von Ol als Prufmedium an ihre Grenzen Diese können nun bei Anwendung ionischer Flüssigkeiten als Prufmedium überschritten werden

Auf Grund der erzielbaren Kompressibihtatsreduktion der zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeit können nun beispielsweise zwei oder mehr Prüfkörper parallel - anstatt bisher nur ein Prüfkörper - geprüft werden Damit erübrigt sich entweder die Verwendung einer bisher erforderlichen weiteren Prüfmaschine oder es entsteht lediglich die Hälfte der Prufkosten Stattdessen ist es auch möglich, die Prüfung schneller abzuschließen, so dass die Marktfreigabe für die betreffenden Bauteile schneller als bisher erfolgen kann

Die vorher erwähnte Möglichkeit einer Prüfung bei höheren Temperaturen stellt schließlich die Möglichkeit in Aussicht, Hochdruckprufungen bei 600° C und darüber durchzufuhren Damit ist dann die Prüfung von ganzen Motorblocken bei den typischen hohen Wandtemperaturen möglich

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Hochdruckpulsationsprüfung von maschinellen Bauteilen, bei dem unter Verwendung einer Druckflüssigkeit als Prüfmedium die Bauteile unter pulsierendem Hochdruck auf Ermüdung geprüft werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfmedium bei der Hochdruckpulsationsprüfung eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine Mischung aus ionischen Flüssigkeiten verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ionischen Flüssigkeit ein chemischer Zusatzstoff zur gezielten Veränderung deren Eigenschaft zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet wird, die eine geringe Kompressibilität aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit mit einem chemischen Zusatzstoff zur Reduktion deren Kompressibilität verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet wird, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet wird, die eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 300° C aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine organische ionische Flüssigkeit verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine anorganische ionische

Flüssigkeit verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine Mischung aus organischen und anorganischen Flüssigkeiten verwendet wird.