Prüfungen an Motorkomponenten
Komponenten von Verbrennungsmotoren wie Pleuel, Kurbelwellen, Ventile oder Nockenwellen sind extremen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt – und müssen höchsten Qualitätsanforderungen genügen. Eine zuverlässige Material- und Bauteilprüfung ist daher entscheidend, um Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit moderner Verbrennungsmotoren zu gewährleisten. Ob statische Versuche, dynamische Prüfungen, Torsionsversuche oder Härteprüfungen: Mit präziser Prüftechnik lässt sich die Qualität Ihrer Komponenten nachhaltig sichern.
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Prüfung an Pleuel
Der Pleuel ist ein zentrales Element jedes Verbrennungsmotors und verbindet Kolben und Kurbelwelle. Zusammen mit der Kurbelwelle wandelt er die lineare Bewegung in eine Drehbewegung um. Ein Pleuel besteht aus Pleuelkopf, Pleuelschaft und Pleuelfuß. Zur Vereinfachung der Montage ist der Pleuelfuß in der Regel geteilt und wird mit Pleuelschrauben zusammengeschraubt.
Die Pleuel, die heute in modernen Pkw- und Lkw-Motoren zum Einsatz kommen, bestehen meistens aus Stahl oder Sintermetall. Allerdings zeichnet sich bei Pleueln auch ein Trend hin zu leichteren, höher beanspruchbaren Legierungen ab. In Hochleistungsmotoren, z. B. Rennmotoren, werden auch Pleuel aus anderen Werkstoffen, beispielsweise Aluminium- oder Titanlegierungen, verwendet. Kleinere Pleuel, die z. B. bei Motorrollern zum Einsatz kommen, bestehen häufig noch aus Gusseisen.
Bei laufendem Motor unterliegen die Pleuel hohen zyklischen Beanspruchungen. Hierbei handelt es sich überwiegend um axiale Lasten und Biegespannungen. Die axialen Lasten bestehen aus hohen Druckbelastungen bedingt durch die Verbrennung und geringen Zuglasten aufgrund der Massenträgheit. Biegespannungen werden hauptsächlich durch die Zentrifugalwirkung verursacht.
Pleuel werden zur Qualitätskontrolle auf ihre Betriebsfestigkeit geprüft um die voraussichtliche Lebensdauer prognostizieren zu können. Das Belastungskollektiv von Pleueln verlangt eine Bauweise inkl. der verwendeten Materialien, welche den gestellten Anforderungen gerecht wird. Die Ermüdungsgrenze von Pleueln wird mit ca. N = 5 x 106 Zyklen angenommen. Das Pleuel kann in drei Belastungsbereiche eingeteilt werden. Zur Prüfung müssen beide Augen unter realen Bedingungen, d. h. mit Spiel und in einem Temperaturbereich von 90 - 120 °C mit Ölumgebung geprüft werden.
Die bevorzugte Lösung zur Pleuelprüfung ist unsere Resonanzprüfmaschine Vibrophore. Vibrophores zeichnen sich durch geringen Energieverbrauch bei hohen Prüffrequenzen aus. Aus diesem Grund sind sie gegenüber servohydraulischen Prüfmaschinen vorzuziehen. ZwickRoell hat eine hochmoderne Einspannlösung entwickelt, die eine Prüfung von Pleueln in verschiedenen Größen ohne Wechsel der Spannvorrichtung ermöglicht. Mittels geeigneter Prüfbolzen können Pleuel mit unterschiedlichen Bolzen und Kurbeldurchmessern unter Verwendung derselben Spannvorrichtung geprüft werden. Die Spannvorrichtung ist so ausgeführt, dass die Einspannung automatisch entsprechend den tatsächlichen Einbaubedingungen ausgerichtet wird.
Pleuelprüfung mit Ölumgebung
Zur Durchführung von Prüfungen unter möglichst realitätstreuen Betriebsbedingungen kann Motoröl unter Druck in die Lager gepresst werden, um einen konstanten Schmierölfilm zwischen Lager und Bolzen zu gewährleisten. Optional kann dieses Schmieröl je nach Fall gekühlt oder erwärmt werden. Eine Sicherheitsvorrichtung schützt die Umgebung vor ölnebelhaltiger Luft, die aus dem Prüfraum austritt, und gewährt gleichzeitig ungehinderte Sicht auf die Probe. Je nach Aufstellumgebung kann auch ein Ölnebel-Abscheider integriert werden, um die Luft in der Umgebung der Prüfmaschine sauber zu halten.
Die erzielbaren Prüffrequenzen liegen je nach Pleuel im Bereich von 70-120 Hz. Die verfügbaren Prüfergebnisse sind angewandte Kraft, Prüffrequenz und Anzahl der erzielten Spannungszyklen. Aufgrund des Arbeitsprinzips des elektromagnetischen Hochfrequenzpulsators wird die dynamische Leistung bei Vorhandensein von Spiel oder Verwendung von Öl während der Prüfung reduziert. Dies muss bei der Dimensionierung der Prüfmaschine berücksichtigt werden.
Da die Prüfung im Resonanzbereich (der Maschine) stattfindet, kann der Vibrophore anhand minimaler Änderungen der Prüffrequenz in der Probe entstehende Risse zu einem frühen Zeitpunkt erkennen.
Kurbelwellenprüfung
Die Kurbelwelle ist ein zentraler Bauteil von Verbrennungsmotoren, das die Hubbewegung der Kolben in eine Drehbewegung umwandelt. Um den extremen mechanischen und thermischen Belastungen standzuhalten werden Kurbelwellen in der Regel aus Stahl oder Gusseisen hergestellt. Ihre Qualität beeinflusst maßgeblich die Effizienz und Haltbarkeit des gesamten Antriebsstrangs. Eine präzise Fertigung und Prüfung sind daher unerlässlich für den sicheren Betrieb moderner Motoren.
Für Ermüdungsprüfungen an Kurbelwellen kann die Resonanzprüfmaschine Vibrophore oder eine servohydraulische Prüfmaschine verwendet werden. Speziell entwickelte Aufnahmen gewährleisten eine sichere Fixierung unterschiedlicher Kurbelwellengrößen. Die integrierte T-Nuten-Platte erlaubt eine variable Positionierung der Probe, wodurch sich selbst komplexe Geometrien problemlos in der Prüfvorrichtung befestigen lassen.
Die Ermüdung erfolgt durch Biegebelastung, wobei der Aufnahmetisch und das Aufnahmewerkzeug so gestaltet sind, dass durch Umspannen alle Segmente der Kurbelwelle geprüft werden können. Als Ermüdungsgrenze werden hier ca. N = 3 x 106 Zyklen angenommen. Es werden kraftgeregelte Sinus-Zyklen nach dem Treppenverfahren durchgeführt. Ermüdungsprüfung durch Torsionsbelastung ist mit der gleichen Maschine möglich.
Kurbelwellenprüfung: Segment
Dynamische Biegelbelastung
Gebrochene Kurbelwellen
Härteprüfung an Ventilstößeln
Ventilstößel sind stark beanspruchte Bauteile in Ventiltrieben von Verbrennungsmotoren. Für eine langlebige und zuverlässige Funktion ist die Qualität des Werkstoffs sowie der Vergütungsprozess entscheidend – insbesondere im Bereich des Schafts & Ventiltellers. Im Betrieb sind diese Bereiche starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt.
Mittels Härteprüfung lassen sich die geforderten Materialkennwerte nach der Wärmebehandlung einfach & schnell überprüfen. So erfolgt im Bereich des Schafts & des Ventilstellers die Härteprüfung nach Rockwell Verfahren (ISO 6508, ASTM E18) oder nach dem Vickers Verfahren (ISO 6507, ASTM E384).
Dank präziser Prüftechnik der ZwickRoell Härteprüfmaschinen DuraJet und dem Universalhärteprüfer VisionLine lassen sich auch kleinste Durchmesser oder große Losgrößen zuverlässig prüfen – manuell oder integriert in Fertigungslinien.
Hochtemperatur-Prüfung an Ventilen
Motorventile spielen für optimale Brennverhalten eine wichtige Rolle. Um die Motoreffizienz weiter zu steigern, werden viele Maßnahmen ergriffen, um diese Bauteile leichter, widerstandsfähiger und kostengünstiger zu gestalten. Versuche unter Hochtemperatureinfluss helfen, um die optimale Werkstoffkombination für die jeweilige Anwendung zu definieren.
Prüfungen am Motorblock
Verbrennungsmotoren bestehen aus vier Hauptkomponenten: Motorblock, Zylinderkopf, Kurbelantrieb und Steuertrieb. Der Motorblock besteht meist aus Aluminium oder Gusseisen und bildet das Gehäuse für die Zylinder, in denen sich die Kolben auf und ab bewegen.
Durch seine robuste Bauweise gewährleistet der Motorblock die strukturelle Stabilität des Motors und unterliegt vielen Beanspruchungen wie Massenmomenten, Torsionsmomenten oder Kräften aus der Übertragung der Gaskräfte vom Zylinderkopf zu den Kurbelwellenlagern.
Im Ermüdungsversuch werden unter anderem die Gewindeeinsätze im Motorblock geprüft. Die Einsätze für Verschraubungen werden mit der Resonanzprüfmaschine Vibrophore dynamisch belastet und eine Wöhlerkurve ermittelt. Vibrophores zeichnen sich dank des Resonanzprinzips durch minimalen Energieverbrauch bei hohen Prüffrequenzen aus.
Prüfung von Steuerketten
Steuerketten verbinden die Kurbelwelle mit der Nockenwelle und ermöglichen die präzise Steuerung der Ventilöffnungszeiten. Als Steuerketten werden meist Gelenkketten eingesetzt. Im Gegensatz zu Zahnriemen bestehen sie aus robustem Metall und zeichnen sich durch eine besonders hohe Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit aus. Eine korrekt gespannte und gut geschmierte Steuerkette trägt wesentlich zur Effizienz des Motors bei. Ketten kommen aber auch in industriellen Anlagen sowie als Transport- oder Förderketten zum Einsatz.
Im realen Einsatz unterliegen Steuerketten ständig periodisch schwankenden Belastungen und schwierigen Umgebungsbedingungen. Neben der Bruchfestigkeit und der Verschleißfestigkeit werden sie daher besonders auf ihre Eigenschaften im Zeitfestigkeitsbereich und Dauerfestigkeitsbereich geprüft.
Die dynamische Kettenprüfung kann sowohl an Endlosketten als auch an einzelnen Kettenkomponenten (Kettenbrücken) erfolgen. Endlosketten können entweder mittels des in der Anwendung vorgesehenen Kettenrades oder eines speziellen Probenhalters in die Prüfmaschine integriert werden. Bei der Prüfung von einzelnen oder mehreren Kettenkomponenten erfolgt die Aufnahme im Probenhalter mit Hilfe eines Steckbolzens durch das letzte noch offene Kettenglied. Unabhängig von der Einspannung der Probe sind Prüfungen in Klimakammern und flüssigen Medien, wie z.B. Ölen oder korrosiven Medien, ebenfalls möglich. Die spezifischen Prüfbedingungen, Prüfkräfte und Anzahl an Lastwechseln werden durch die jeweiligen Werksnormen bestimmt.
Besonders effizient werden die Ermüdungseigenschaften von Ketten auf elektromagnetischen Resonanzprüfmaschinen (Hochfrequenzpulsatoren) ermittelt. ZwickRoell Resonanzprüfmaschinen Vibrophore im Kraftbereich zwischen 15 kN und 1.000 kN zeichnen sich durch ihren geringen Energieverbrauch und hohe Prüffrequenzen aus. Die Prüfmaschine wird in Resonanzfrequenz betrieben, weshalb der Energieverbrauch bei nur ca. 2% einer vergleichbaren servohydraulischen Prüfmaschine liegt. Typische Prüffrequenzen bei der Kettenprüfung sind dabei 50 Hz bis 150 Hz, was eine kurze Prüfdauer garantiert. Dank der Prüfung im Resonanzbereich kann der Hochfrequenzpulsator entstehende und wachsende Risse in der Kette, durch eine sich minimal ändernde Frequenz, schon frühzeitig detektieren.
Es können auch Ketten mit großen Dämpfungsänderungen gemessen werden. Des Weiteren ist eine Anpassung an firmenspezifische Prüfnormen jederzeit möglich.
Prüfung an Nockenwellen
Nockenwellen steuern über ihre Nockenprofile die Öffnungs- und Schließbewegung der Ventile im Verbrennungsmotor. Sie kommen in nahezu allen Fahrzeugmotoren zum Einsatz – vom Pkw bis hin zu Nutzfahrzeugen und Motorrädern. Je nach Bauart befinden sie sich im Motorblock (untere Nockenwelle) oder im Zylinderkopf (obenliegende Nockenwelle) und sind ein zentrales Element für die Motorsteuerung.
Aufgrund des Einsatzgebiets müssen Nockenwellen hohen, dauerhaften Torsionsbelastungen standhalten. Im Rahmen der produktionsbegleitenden Qualitätskontrolle können Torsionsprüfmaschinen eingesetzt werden.
An den Nockenwellen wird der Drehwinkel und das Drehmoment bestimmt, ab dem sich die Komponentenverbindungen lösen. Nockenwellenabschnitte werden in die Torsionsprüfmaschine TorsionLine horizontal eingespannt und zunehmend mit bis zu 1000 Nm Drehmoment belastet. Interessant ist dabei die elastische und plastische Verformung der Nockenwellenkomponenten zueinander. Die Drehwinkelmessung erfolgt berührungslos über einen optischen Extensometer von ZwickRoell.
TorsionLine 500
Drehwinkelmessung
TorsionLine mit laserXtens
Härteprüfung an Nockenwellen
Nockenwellen steuern den Gaswechsel im Verbrennungsmotor und unterliegen dabei dynamischen Belastungen und hohem Verschleiß. In der Automobilindustrie ist die Härteprüfung ein wesentliches Mittel zur Sicherstellung der Bauteilqualität – insbesondere bei gehärteten Laufflächen von Nocken und Lagerstellen.
Die Prüfung erfolgt je nach Geometrie und Prüfanforderung nach dem Vickers-Verfahren gemäß ISO 6507 bzw. ASTM E384 oder dem Rockwell-Verfahren nach ISO 6508 bzw. ASTM E18.
Neben der Ermittlung der Oberflächenhärte ist auch die Prüfung des Härteverlaufs nach ISO 18203 zur Kontrolle von Induktions- oder Einsatzhärten möglich. Aufgrund der komplexen Geometrie der Bauteile sind dabei häufig Sondervorrichtungen zur sicheren und reproduzierbaren Positionierung erforderlich – sowohl bei manuellen als auch bei automatisierten Prüfabläufen.
Für die umfassende Härteprüfung an Nockenwellen stehen die Härteprüfmaschinen DuraJet und der Universalhärteprüfer VisionLine zur Verfügung.
Prüfungen unter Hochtemperatur
In Anwendungen wie Motorenbau, Kraftwerksbau, Triebwerken und chemischen Anlagen ist das Werkstoffverhalten unter erhöhter Temperatur bis ca. 1.600 °C und mehr von entscheidender Bedeutung. Hierfür werden vor allem Zugversuche aber auch Biegeversuche unter erhöhter Temperatur durchgeführt.
Ermüdungsprüfung unter Hochtemperatur
Zugversuch im Vakuum-Ofen
Zugversuch mit Induktions-Heizung
Hochtemperatur Biegeversuch unter Schutzgas
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