VersuchVentiltriebsysteme

Druckschrift VVV

Diese technische Schrift wurde mit großer Sorgfalt erstellt und alle Angaben auf ihre Richtigkeit hin überprüft. Für etwaige fehlerhafte oder unvollständige Angaben kann jedoch keine Haftung übernommen werden.

Produktabbildungen dienen nur zur Veranschaulichung und sind nicht zur Konstruktion zu verwenden.Konstruktionen nur nach technischen Angaben, Maßtabellen und Maßzeichnungen in dieser Ausgabe gestalten. In Zweifels-fällen bitte Rücksprache mit dem INA-Ingenieurdienst.Durch die ständige Weiterentwicklung der Produkte sind Änderungen im Produktprogramm und der Produktausführung vorbehalten!

Es gelten die Verkaufs- und Lieferbedingungen, die den Verträgen und Rechnungen zugrunde liegen.

Herausgeber:INA-Schaeffler KG91072 HerzogenaurachHausadresse:Industriestraße 1–391074 Herzogenaurachwww.ina.com© by INA · 2004, JuniAlle Rechte vorbehalten.Nachdruck, auch auszugsweise,ohne unsere Genehmigung nicht gestattet.Druck: Frankendruck GmbH, 90427 NürnbergPrinted in Germany

3

Ölverschäumung

Geschwindigkeiten

Dynamisches Verhalten

Torsions-schwingungen

Beschleunigung

Rollenschlupf

Drehmoment

Kugelhub

Rotation

Drücke

Kräfte

Wege

Misfire

Reibung

Klappern

Verschleiß

Dauerfestigkeit

Neue Testmethoden

Grundsatz-untersuchungen

Schaltverhalten

Funktionstests

Lebensdauer

Tassenstößel

Schaltstößel

Traversenstößel

Rollenstößel

Kipphebel

Schlepphebel

Rückschlagventile

Abstützelemente

Sonderbauformen

Schwinghebel

schaltb. Rollenstößel

schaltb.Schlepphebel

schaltb.Abstützelemente

Komponenten fürteil- und vollvariableVentiltriebe

158

074

158

075

158

076

158

077

158

078

Untersuchungen und Komponenten

4

Durch die kurzen Produktentwicklungszeiten, welche die Automobil-hersteller zur schnelleren und kostengünstigeren Entwicklung neuer Modelle anstreben, werden Produkt- und Prozessfreigaben wichtige Bestandteile des Produktentwicklungsprozesses, daher ist eine weitere Verkürzung der Entwicklungszeiten wichtig.

Geeignete Maßnahmen im Versuch:

■ Tests werden mit verschärften Randbedingungen durchgeführt (z.B. Rafftests mit Altöl)

■ Physikalische Größen werden direkt gemessen(z.B. Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte, Reibung, Schwingungen)

■ aus den gemessenen Größen werden Kenngrößen ermittelt, die eine Aussage über die Funktion und die Sicherheit gegen Ausfall zulassen. Ein Variantenvergleich ist möglich

■ vermehrte Anwendung von Berechnungen und Simulationen, welche durch Versuche validiert werden.

Der Hauptaufwand ist das Aufrüsten der Prüfstände und das Auswerten der gewonnenen Messdaten. Dauerläufe mit zahlreichen Stunden Laufzeit, die nur indirekte Rückschlüsse auf die Laufspuren zulassen, gehören der Vergangenheit an.

Die Betriebsbedingungen der Produkte sind breit gefächert. Deshalb müssen mit den Prüfzellen und Prüfständen alle notwendigen Randbedingungen unabhängig von den äußeren Einflüssen simuliert werden:

■ Kaltstarttests im Sommer

■ Alterungstests mit UV – Licht im Winter

■ Korrosionstests mit Salz im Sommer.

Jede Autofahrt im Straßenverkehr verläuft anders – selbst auf gleichen Strecken. Mit diesen Randbedingungen ließen sich kleinste Verbesserungen in den Produkteigenschaften nicht sicher analysieren.Deshalb sind unsere Tests immer reproduzierbar!

Der Versuch – eine Übersicht

5

Testkabine und Versuchsauswertung

Rollenprüfstand

158

079

158

080

Der Versuch – eine Übersicht

6

Ein PKW soll in seinem Lebenszyklus eine Strecke zurücklegen, die dem sechsfachen Erdumfang entspricht. Unsere Produkte müssen daher unter vielen Extrembelastungen getestet werden.

Tests werden durchgeführt in:

■ Fahrzeugen

■ befeuerten Motoren mit und ohne Bremse

■ geschleppten Motoren (geschleppt = mit E-Motor angetrieben)

■ geschleppten Komponenten (Zylinderköpfen)

■ Sonderprüfständen (Prüfstände zur Nachbildung spezieller Randbedingungen).

Die richtige Wahl des Prüfaufbaus folgt aus der Abwägung vielschichtiger Aspekte:

■ Kosten

■ Aufwand (Zeit, Man Power, Resourcen)

■ Verfügbarkeit (z.B. von Prototypmotoren)

■ Zugänglichkeit für Messtechnik

■ Benötigte Genauigkeit.

Für die spätere Verwertbarkeit der Ergebnisse müssen alle für den Einsatzfall relevanten Randbedingungen erzeugt werden beziehungsweise erhalten bleiben, z.B.:

■ Schmierung (Ölsorte, Druckverläufe, Verschäumung, Entlüftungsverhalten, Temperaturschwankungen)

■ Werkstoff (Materialpaarungen, Wärmebehandlungen)

■ Geometrien (Rauheit, Toleranzen, Grenzmuster)

■ Belastungen (Kraftverläufe, Schwingungen, Drehmomente, Drehzahlschwankungen).

Die langjährige Versuchserfahrung der INA hilft bei der Wahl des richtigen Prüfstands und sinnvoller Testbedingungen.

Die richtige Prüfstandswahl

7

Prüfaufbau befeuerter Motor

Prüfaufbau Reibungsversuch

158

081

Booster

Reibmoment

Drehzahl

externesTemperiergerät

Ölz

ula

uf

Zulauf

Ölrü

ckla

uf

Rücklauf

ÖlaggregatÖlheizungRegelung

Messverstärker

Oszilloskop

Antriebsmotor Messflansch

TemperaturZylinderkopf

ÖltemperaturGalerie

ÖltemperaturÖltank

ÖltemperaturBooster

ÖltemperaturZulauf

ÖldruckZulauf

ÖldruckGalerie

thermischeIsolation

158

082

Die richtige Prüfstandswahl

8

9

Für die Planung, Entwicklung und Freigabe neuer Produktkonzepte oder neuer Anwendungen bereits bestehender Konzepte werden unter-schiedlichste Versuchsmethoden eingesetzt und während verschiedener Stufen des Produktentwicklungsprozesses durchgeführt.

Folgende Methoden kommen unter anderem zum Einsatz:

■ Betriebsfestigkeitsuntersuchungen

■ Dynamikuntersuchungen im Ventiltrieb

■ Funktionsuntersuchungen

■ Misfire-Untersuchungen

■ Schaltversuche

■ Dynamische Ventiltrieb-Simulation

■ Sondermessungen

■ Verschleißuntersuchungen

■ Reibungsuntersuchungen.

Diese Untersuchungsmethoden werden in den folgenden Kapiteln kurz beschrieben.

Versuchsmethoden

10

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen sind notwendig, um die von einem Bauteil dynamisch ertragbaren Belastungen zu ermitteln.

Es werden viele Fragen beantwortet, so dass die Bauteile zielsicher optimiert werden können:

■ Welche Sicherheit gegen Ausfall ist vorhanden?

■ Wo beginnen die Risse bei Überlast?Ist eine Übereinstimmung mit dem FE-Modell gegeben?Wo muss das Bauteil optimiert werden?

■ Welche Bauvariante ist belastbarer?Überleben zwei Varianten den Testlauf im Motor, bleibt die Frage:Welche Variante ist besser?

Das Bauteil wird in Vorrichtungen so positioniert, dass der kritische Belastungsfall simuliert wird. Die Belastungen werden mit Hydro- bzw. Resonanzpulsern auf das Bauteil aufgebracht. Aufgrund der hohen Prüf-frequenz von bis zu 190 Hz ermöglichen Resonanzpulser eine Zeitraffung, da die ertragbare Beanspruchung unter bestimmten Voraussetzungen frequenzunabhängig ist.

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen I

11

Bauteil Wöhlerlinie

Belastungsform

Prüfvorrichtung mit kritischem Belastungsfall

1 100 10000 1000000 100000000

Schwingspielzahl N (log)

Be

last

un

g

(lo

g)

ND

dauerfeste Spannungsamplitude10%

90%

50%

Überlebenswahr-scheinlichkeit

158

037

Mittellast

Oberlast

Unterlast

Kra

ft F

Anzahl der Schwingspiele N

0 3 421

Sch

win

gb

reite

Vorlast

158

038

F15

8 03

9

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen I

12

Ein Versuch wird mit einer Stichprobe von 30 Prüflingen nach dem Treppenstufenverfahren durchgeführt. Erreicht der Prüfling auf einem bestimmten Lastniveau die Grenzspielzahl von vier Millionen Lastspielen, (gültig für Stahl), so gilt er als Durchläufer und die Last wird für den nächsten Prüfling um eine Stufe erhöht. Im Schadensfall wird die Last für den nächsten Prüfling um eine Stufe erniedrigt.

Aus der so entstandenen Treppenstufenfolge lassen sich mit statistischen Auswerteverfahren den Ausfallwahrscheinlichkeiten bestimmte Lasten zuordnen.

Zur Beurteilung dienen folgende Kennwerte:

■ Mittelwert (50% Ausfallwahrscheinlichkeit)

■ 1% Ausfallwahrscheinlichkeit

■ Standardabweichung (Maß für die Streuung).

Sicherheitsfaktor:

Verhältnis der 1% Ausfallwahrscheinlichkeit zur maximalen Belastung.

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen II

13

Typische Treppenstufenreihenfolge

Statistische Auswertung – Häufigkeitsverteilung

B

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

0 5 10 15 20 25 30

B

B B

B B B B B B B

B

Z

N

N

B

B BD D D D D D

D

D

DD

D

D

D

D

B B

BB B B B B B B

B

Z

N

N

B

B BD D D D D D

D

D

DD

D

D

D

D

Prüflingsnummer

Sch

win

gb

reite

N

158

040

Erstmuster

M3-Muster

M4-Muster

Maxi

male

Bela

stung im

Moto

r

1%

Ausf

allw

ahrs

chein

lichke

it

50%

Ausf

allw

ahrs

chein

lichke

it

Kraft/N

Dic

hte

de

r V

ert

eilu

ng

SicherheitgegenAusfall

158

041

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen II

14

Bei Dynamikuntersuchungen im Ventiltrieb werden physikalische Größen (z.B. Wege, Geschwindigkeiten, etc.) mit bis zu 750 000 Mess-werten pro Sekunde im bewegten Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors gemessen.

Dadurch ist es möglich, die Funktionssicherheit eines Ventiltriebs zu beurteilen – auch unter extrem ungünstigen Betriebsbedingungen. Ziel ist es, die extrem hohen Belastungen, wie z.B. Beschleunigungs-spitzen bis zu 2 500 g, zu bestimmen, zu bewerten und eventuell durch abgestimmte Maßnahmen zu reduzieren.

Elektromotorisch angetriebene Zylinderköpfe haben sich als nahezu ideal zum Messen herausgestellt. Die großen Vorteile hierbei sind geringe Kosten und guter Zugang zu den Bauteilen. In seltenen Fällen sind die zu untersuchenden Effekte allerdings zu komplex, dann müssen die Messungen im befeuerten Motor durchgeführt werden.

Dynamikuntersuchungen im Ventiltrieb I

15

Aufbau geschleppter Zylinderkopfprüfstand

Damit das nicht passiert!Damit das nicht passiert!

158

042

12

3 4 5 67

158

043

Dynamikuntersuchungen im Ventiltrieb I

16

Wichtige Größen werden direkt gemessen:

Standard:

■ Bewegung des Ventils (Hub, einige mm; Geschwindigkeit � 10 m/s)

■ Öldruck, Öltemperatur, Drehzahl

■ Ölverschäumung.

Bei Bedarf:

■ Druck im Hydraulikelement

■ Einsinkweg des Hydraulikelements

■ Kräfte am Ventilschaft, Kipphebel, Ventilfeder, Schlepphebel, etc.

■ Bewegung der Rückschlagventilkugel

■ Dreh-Ungleichförmigkeit der Nockenwelle.

Aus den Messdaten werden folgende Kenngrößen ermittelt:

■ Vorhubverlust (Hubverlust beim Ventilöffnen, einige 1/100 mm)

■ Gesamthubverlust (Hubverlust beim Ventilschließen, einige 1/100 mm)

■ Ventilaufsetzgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Ventils beim Ventilschließen, Gefahr des Ventilabreißens, Geräuschentwicklung)

■ dynamisches Verhalten des Ventiltriebes (Schwingungen, Resonanzen, Kontaktverlust).

Berechnet mit den Messdaten werden:

■ Kontaktkräfte (Belastungen der Ventiltriebsteile, bis zu 5 000 N)

■ Hertzsche Pressungen (Verschleiß, Lebensdauer).

Dynamikuntersuchungen im Ventiltrieb II

17

Messaufbau Dynamikmessung

Hub – Geschwindigkeit – Beschleunigung

Auswertung Kraftkennfeld

Fy

Drehwinkelgeber

Computer mit A/D Wandler

Laser Vibrometer

1 2 3 4 5 0

Sensoren

21

A B

A B

A B

C

C

0 Clock/Messpulser1 Druck im Hydraulikelement2 Ventilhub3 Ventilgeschwindigkeit4 Ventilschaftkraft5 Ventilfederspannung

A Vollbrücke nach WheatstoneB DC-MesskraftverstärkerC DMS-Messstellen

158

044

Be

sch

leu

nig

un

g/m

/s²

Nockenwinkel/°

Gesc

hw

indig

keit/

m/s

Hu

b/m

m

12 10 8 6 4 2 0

–2 –4 –8–10–12

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

18 000

15 000

12 000

9 000

6 000

3 000

0

–3 000

–6 000

158

045

Kraft

Nockenwellenwinkel/°

Moto

rdre

hza

hl /

1/m

mK

raft / N

Nocken-kontaktkraft

158

046

Dynamikuntersuchungen im Ventiltrieb II

18

Bei Funktionsuntersuchungen wird untersucht, ob die Hydraulik-elemente unter den Randbedingungen des Verbrennungsmotors funktionieren.

Für eine einwandfreie Funktion der Ausgleichselemente darf keine Luft in den Hochdruckraum gelangen. Zu viel Luft führt zu erhöhten Ventilaufsetz-geschwindigkeiten (Gefahr des Ventilabreißens bei hohen Drehzahlen) und ist als Klappergeräusch auch akustisch wahrnehmbar.

Die Funktionssicherheit im Motor ist abhängig von:

■ Einbausituation (Neigung, Schiefstellung, Anbindung an die Ölversorgung)

■ Ölversorgung (Auslaufen der Ölkanäle in den Stillstandzeiten, Öldruckanstieg nach Motorstart, Entlüftungsmöglichkeiten in der Ölgalerie, Ölverschäumung, Öldruck, Ölsorte, Viskosität (abhängig von Temp.)).

Diese Einflüsse können nur in Original-Motoren, die befeuert betrieben werden, untersucht werden. Die Beurteilung der Funktion erfolgt über Körperschallaufnehmer, die auf die auftretenden Klappergeräusche ansprechen. Die Datenerfassung und Auswertung erfolgt mit einer speziell entwickelten Messtechnik auf PC-Basis.

Funktionsuntersuchungen I

19

Hochdruckraum

Messprinzip Klappermesstechnik

Prüfstand

Ölversorgungvom Motor

Hockdruck-raum

158

047

Körperschall-aufnehmer Signalverarbeitung

GeräuschbewertungDiagrammdarstellungDokumentation

158

048

158

049

Funktionsuntersuchungen I

20

Die Standardtests bilden die kritischen Betriebszustände im Fahrzeug nach:

■ Kaltstart bei bis zu –30 °C(leergelaufene Ölversorgung, verzögerter Öldruckanstieg, zähes Öl, hoher Öldruck)

■ Heißleerlauftest30 min. Betrieb mit Leerlaufdrehzahl nach Heißbetrieb mit Hoch-drehzahl (dünnflüssiges Öl, geringer Öldruck, Ölverschäumung, starkes Absinken)

■ 40 Kurzzeit-Start-Tests (Auslaufen der Ölgalerie, Absinken der Hydraulikelemente in der dreiminütigen Stillstandphase, Lufttransport beim Start zu den Hydraulikelementen, nur kurze Laufzeit von 10 sec)

■ Temperatur-Wechsel-Tests(Temperaturschwankungen von bis zu 50 °C führen durch Wärme-ausdehnungen von Öl / Luft in der Ölversorgung zu Leerpumpeffekten).

Funktionsuntersuchungen II

21

Tests

Kaltstarttest

Geräusch – Öltemperatur – Öldruck

Geräusch – Drehzahl – Öldruck

Geräusch – Drehzahl – Öldruck

Heißleerlauftest

Sig

na

lgrö

ße

Sig

na

lgrö

ße

Sig

na

lgrö

ße

Zeit

Nr. des Startzyklus

Zeit

Kurzzeit – Start – Test (Taxi Test)

158

050

Funktionsuntersuchungen II

22

Bei Misfire-Untersuchungen wird der Einfluss der Ventilspielausgleichs-elemente auf die Verbrennung im kalten Motor untersucht.

Wird ein Motor kurzzeitig belastet, so erhitzen die heißen Abgase (800 °C) das Ventil sehr schnell. Die Längenzunahme des Ventils aufgrund der Wärmedehnung führt zu einem einige �m geöffneten Ventil, wenn das Hydraulikelement nicht schnell genug absinken kann, z.B. bei einem Kalt-start mit –25 °C. Dann ist das Motoröl sehr zäh und muss durch einen Leckspalt von nur ein paar µm gepresst werden. Bei anschließendem Leerlaufbetrieb können Misfire-Effekte (im Extremfall bis zum Motor-stillstand) auftreten! Eine Vergrößerung des Leckspaltes ist nur begrenzt möglich, da sonst die Absinkgeschwindigkeit bei dünnem (heißem) Motoröl zu groß ist.

Abhilfe können hier bei Bedarf Sonderbauformen liefern:

■ thermische HTEs und ASEHs

■ Leerhub-Stößel

■ PinBall TSTHs.

Misfire-Untersuchungen I

23

Schema

Überwachung der Verbrennungszyklen

Heiße Abgase

800 °C

Gefahr, dass dasVentil leicht offensteht

Bei –25 °C ist das Ölsehr dickflüssig

Der Leckspalt,nur wenige �m weit

Längung des Ventilsdurch Erhitzung

158

051

Kurb

elw

elle

ndre

hza

hl

Zeit

Zylinder1 2 4 5 3

Drehzahlzunahmedurch Verbrennung –Schwankung ist Zeichenfür gestörte Verbrennung!

OT 1. Zyl.

158

052

Misfire-Untersuchungen I

24

In den USA und in Europa ist die OBD (on board diagnostics) schon gesetzliche Vorschrift: Bei Verbrennungsmotoren müssen die abgas-relevanten Komponenten kontinuierlich überwacht werden. Fehler werden durch die MIL (misfire indication lamp) angezeigt. Ein Betrieb des Autos mit brennender MIL ist nicht zulässig. Die Fehler müssen durch eine Werkstatt beseitigt werden. Wenn bei 5% der Fahrzeuge eines Typs der gleiche Fehler auftritt, muss die gesamte Produktion auf Kosten des Verursachers nachgebessert werden.

Die elektronische Überwachung ist sehr viel genauer als das Empfinden des Fahrers. Dadurch werden gestörte Verbrennungen (misfires) detektiert – lange bevor sie der Fahrer wahrnimmt.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Motorüberwachung:

■ Auswertung der Dreh-Ungleichförmigkeit, Messung des Ionisations-stroms in Verbrennungsabgasen, etc.

Um festzustellen, welche Sicherheit gegen die Aktivierung der Misfire-Erkennung besteht, werden die Tests in Fahrzeugen mit dem Diagnosesystem des Herstellers durchgeführt. Dazu werden die Signale der Misfire-Erkennung mit den aktuellen Grenzwerten verglichen.

Misfire-Untersuchungen II

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Testzyklus mit Fahrzeug

Test mit Auftreten von Misfire

Test ohne Auftreten von Misfire

Vollast Vollast VollastLe

erla

uf

Leer

lauf

Leer

lauf

30 s 60 s 30 s 60 s 30 s 60 s

Zeit

Motorstartbei –25 °C

Dre

hza

hl

Kurbelwellenumdrehungen

158

053

Sig

na

lgrö

ße

Zeit

Misfire-Signal

Grenze für Misfire-Detektion

Drehzahl

158

054

Sig

na

lgrö

ße

Zeit

Misfire-Signal

Grenze für Misfire-Detektion

Drehzahl

158

055

Misfire-Untersuchungen II

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Bei Schaltversuchen wird das Verhalten von schaltbaren Ventiltriebs-komponenten untersucht.

Eine weitere Optimierung von Verbrennungsmotoren ist durch die Verwendung von schaltbaren Ventiltriebskomponenten (Tassenstößel, Abstützelement, Rollenstößel, Schlepphebel) erreichbar. Sie ermöglichen das Umschalten zwischen zwei verschiedenen Nockenkonturen (Ventil-hüben). So ist es möglich, den Liefergrad bzw. den thermodynamischen Wirkungsgrad zu verbessern. Die Verriegelung der Schaltelemente erfolgt mechanisch und wird mittels Öldruck gesteuert.

Zwei Varianten sind je nach Motorkonzept möglich:

■ drucklos verriegelt

■ drucklos entriegelt.

Anwendungen der Schalttechnologie:

■ Schaltmöglichkeit zwischen zwei verschiedenen Ventilhubkurven– kleiner Ventilhub ermöglicht verbessertes Drehmoment bei niedriger

Drehzahl– großer Ventilhub ermöglicht erhöhte Spitzenleistung

■ Schaltung zwischen Normalhub und hublos– hublos zur Deaktivierung der Zylinder für verbesserte Kraftstoff-

einsparung.

Schaltversuche I

27

Umschaltung

innerer Nocken (klein)entriegelt (kleiner Ventilhub)

äußere Nocken (groß)

Verriegelungs-kolben

verriegelt (großer Ventilhub)

158

056

Schaltversuche I

28

Ein Schaltvorgang darf noch nicht einmal zwei hundertstel Sekunden dauern und in einem Motorleben müssen etwa 2,5 Millionen Schaltungen absolviert werden. Auf 10 000 Schaltungen darf höchstens eine Fehlschaltung auftreten. Um die Randbedingungen so originalgetreu wie möglich zu halten, werden die Versuche in Vollmotoren, die mit Elektro-motoren geschleppt werden, durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass Sensoren an den Ventilen eine automatische Versuchsauswertung erlauben.

Für den automatischen Prüfstandsbetrieb ist es notwendig, entsprechende Steuerungen, Mess- und Auswerteeinheiten zu entwickeln und an die sich immer wieder ändernden Versuchsbedingungen anzu-passen. In Hunderten von Prüflaufstunden mit Millionen von Schaltungen wird die Schaltsicherheit ermittelt und der Verlauf des Öldruckauf- bzw. abbaus optimiert.

Es werden Kennfelder aufgenommen, um die Einflüsse von:

■ Schaltzeitpunkten

■ Ölviskosität

■ Verschleiß

■ Ölverschäumung

auf das Schaltverhalten zu bestimmen. Die ermittelten Werte werden später im Steuergerät des Motors hinterlegt.

Schaltversuche II

29

Mess-Signale der Schaltzeitmessung

Einfluss des Schaltzeitpunktes

Kennfeld der Schaltzeiten

Sch

alts

ign

al/V

Huberkennung/V

Zeit/sek

Öld

ruck

/ba

r

158

057

100%-0% 0%100%

Schaltet innerhalbdieser Umdrehung

Schaltet nicht innerhalbdieser Umdrehung

Triggerwinkel0° 360° 15

8 05

8

Motordrehzahl/1/min90

60

10

550

2000

1000

300010

10,4

10,8

11,2

11,6

12

12,4

12,8

13,2

13,6

14

14,4

14,8

15,2

15,6

16

Temperatur/°C

Sch

altz

eit/

ms

158

059

Schaltversuche II

30

Der Vorteil der dynamischen Mehrkörpersimulation im Produkt-entwicklungsprozess besteht in der Reduzierung von Versuchszeiten und Kosten.

Wenn sich die Simulation nur auf die Funktion einer Komponente wie z.B. eines schaltbaren Tassenstößels (Bilder 1 bis 3, Seite 31) bezieht, liefert die dynamische Simulation mit einem Einzelventiltrieb die gesuchten Ergebnisse. Bezieht sich die Simulation jedoch auf das Gesamtverhalten, welches auch die Wechselwirkungen zwischen den Ventiltrieb-komponenten und die Einflüsse von Kettentrieb und Nockenwellen-verstelleinheiten umfasst, muss die Simulation den kompletten Ventiltrieb mit den o.g. Systemen umfassen (Bild 4, Seite 31).

Eine weitere Verfeinerung der Simulation ermöglichen flexible Körper. Dadurch kann auch die Betriebsfestigkeit der Komponenten analysiert werden.

Eigenschaften der hydraulischen Schalttasse:

■ Schaltmöglichkeit zwischen zwei verschiedenen Ventilhubkurven– Ventil- oder Zylinderabschaltung

■ Bei Ventil- oder Zylinderabschaltung:– Ventil bleibt geschlossen oder– öffnet bei großem Ventilhub

■ Bei Nockenkonturschaltung:– kleiner/mittlerer Ventilhub– großer Ventilhub

■ Vorteil von Ventil- oder Zylinderabschaltung:– verbessertes Emissionsverhalten– reduzierter Kraftstoffverbrauch

■ Vorteile der Ventilhubumschaltung:– erheblich verbesserte Drehmomentkurve (bei niedriger Drehzahl)– erheblich verbesserte Leistung.

Dynamische Ventiltrieb-Simulation I

31

Simulationsmodelle

1 2

3

4

158

060

Dynamische Ventiltrieb-Simulation I

32

Als Beispiel für eine dieser sehr komplexen Messaufgaben dient die Ermittlung der hochdynamischen Bewegungen der Ventilkugel im Rückschlagventil eines hydraulischen Ausgleichselementes. Die Größen-ordnung der gegebenen Abmessungen (Kugeldurchmesser 3 mm bis 4 mm, max. Kugelhub � 0,5 mm) machen die Anforderungen an die Messtechnik deutlich.

Neben dem eingesetzten kapazitiven Abstandssensor ist im Bild auch die Druckmessung in der Hochdruckkammer mittels eines Dehnmess-Streifens dargestellt.

Die Kugelbewegung ist entsprechend der sehr geringen Masse (0,1 g) und der extrem niedrigen Kräfte äußerst empfindlich auf alle Arten von Störungen. Deshalb fallen selbst bei scheinbar absolut identischen äußeren Bedingungen zwei Öffnungsereignisse niemals gleich aus. Für den Vergleich Messung/Rechnung werden aus einer Reihe von Öffnungsereignissen die Verläufe für die größte und die kleinste auftretende Öffnung dargestellt. Das Ergebnis der Berechnungen liegt zwischen diesen beiden Messungen.

Dynamische Ventiltrieb-Simulation II

33

Hydraulikelement mit Messtechnik

Vergleich Kugelhubmessung-Rechnung

Sensor

Sensor-Aufnahme

DMS-Rosette

Kappe

158

061

RechnungMessung

0,16

0,12

0,08

0,04

0

–0,040 72 144 216 288 360

Nockenwinkel/°

We

g/m

m

158

062

Dynamische Ventiltrieb-Simulation II

34

Sondermessungen sollen neue Erkenntnisse über die Funktion oder die Belastung der Steuertriebkomponenten liefern. Dadurch können aufgestellte Theorien überprüft und die Fragen unserer Kunden besser beantwortet werden.

Bei Sondermessungen kann meist nicht auf Standards zurückgegriffen werden. Dann müssen erst neue Sensoren, Mess- und Auswerteverfahren entwickelt werden. Drängt die Zeit, ist die Erfahrung von Spezialisten notwendig, um schnell und kostengünstig zu den gewünschten Ergebnissen zu kommen.

Sondermessungen I

35

Messung der Bewegung des Verriegelungskolbens

Einbaumaßänderung im befeuerten Bereich

158

063

Kolbenoberteil

Messfahne

Einstellscheibe I

Ölrücklaufbohrung

Einstellscheibe II

Gehäuse

Kolben

Tellerfedern

Abstandssensor

Verdrehsicherung

158

064

Sondermessungen I

36

Hier einige Beispiele für in der Vergangenheit durchgeführte Sonder-messungen:

■ Untersuchung der Rotation von hydraulischen Tassenstößeln (TSTH)

■ Ölverschäumungsmessung im Vorratsraum eines TSTH

■ Untersuchung des Kugelöffnungsverhaltens im TSTH

■ Druckmessung im Hochdruckraum eines hydraulischen Ventilspiel-ausgleichelements (HVA)

■ Reibungsmessungen mit wälz- und gleitgelagerten Steuertrieb-komponenten

■ Drehzahlmessungen an Kipphebelrollen.

Viele Sondermessungen sind aber im Laufe der Zeit zu Standard-messungen geworden. Ohne sie ist eine Absicherung unserer Produkte im Motor nicht mehr vorstellbar.

Sondermessungen II

37

Kraftmess-Scheibe

Telemetrie

4:1

DMS

158

065

Verstärkerund Sender

Antenne

Kettengliedmit DMS-Applikation

158

066

Sondermessungen II

38

Verschleißuntersuchungen werden durchgeführt, um die Widerstands-fähigkeit von Bauteilen gegen Materialabtrag nachzuweisen.

Bei metallischen Reibpartnern treten unter Mischreibungsbedingungen abrasive und adhäsive Verschleißvorgänge auf. Beide Verschleiß-mechanismen, sowie der Ermüdungsverschleiß, welcher zur Pitting-bildung an der Oberfläche führt, bewirken oft einen Totalausfall der Gleitkontaktpartner. Verschleiß kann auch durch die unterschiedlichsten Formen von Korrosion hervorgerufen werden.

Viele Parameter beeinflussen den Verschleiß:

■ Werkstoff(Werkstoffpaarung, Wärmebehandlung, Beschichtung)

■ Kontaktgeometrie(Makro/Mikrogeometrie, Formgenauigkeit, Rauheit, Traganteil)

■ Belastung(Kräfte, Momente, Hertzsche Pressung)

■ kinematische Auslegung(Relativgeschwindigkeit, hydrodynamische Geschwindigkeit, Flächenpressung)

■ Schmierung(Öl, Viskosität, Menge, Additivierung, Verschmutzung, Alterung).

Verschleißuntersuchungen

39

Vor der Optimierung ...

... nach der Optimierung

Stark verschlissener ASEH Kugelkopf

158

072

Glättungsspuren – kein Verschleiß!

158

073

Verschleißuntersuchungen

40

Bei Reibungsuntersuchungen werden die Verluste im Ventiltrieb, die bei niedrigen Drehzahlen spürbar zum Kraftstoffverbrauch beitragen, genauestens ermittelt.

Dazu wird mit einer Drehmomentenmesswelle das Schleppmoment des Ventiltriebs im gesamten Drehzahlbereich des Motors bestimmt.

Um kleinste Optimierungen analysieren zu können, ist ein geeigneter Prüfstandsaufbau und die Wahl der richtigen Messtechnik wichtig.Sonst regt die Dreh-Ungleichförmigkeit der Nockenwelle den Prüfstands-aufbau zu Resonanzschwingungen an und die erforderliche Mess-genauigkeit ist nicht gegeben.

Oft müssen die Ventiltriebe über hunderte von Stunden mit wechselnden Drehzahlen betrieben werden. Erst dann sind die Einlaufvorgänge abgeschlossen und es können aussagekräftige Werte für Analysen gemessen werden.

Durch die Verwendung von Roll- anstatt von Gleitabgriffen im Nocken-kontakt kann die Reibung gesenkt werden. Aber auch die Reduzierung von Ventilfederkräften und bewegten Massen führt zu geringen Reibungs-werten.

Reibungsuntersuchungen

41

Drehmomentenmesswelle

Reibungsmomentenverlauf

158

076a

Gleitschlepphebel

Rollenschlepphebel

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Motordrehzahl

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093

Reibungsuntersuchungen

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