DE19836963C2

DE19836963C2 - Verfahren und Einrichtung zur Belastungsprüfung von Ventilen

Info

Publication number: DE19836963C2
Application number: DE1998136963
Authority: DE
Inventors: Cetin Morris Sonsino; Ulrike Brandt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1998-08-14
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2018-08-15
Also published as: DE19836963A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Belastungsprüfung von Ventilen mit einem Ventilteller, der an einem Ventilschaft vorgesehen und mittels desselben an einen Ventilsitz andrückbar und von dem Ventilsitz abhebbar ist, und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und ei ne Einrichtung zur Belastungsprüfung von Ein- und Auslaßven tilen von Verbrennungsmotoren, und zwar vor allem von solchen Ein- und Auslaßventilen, die unter Verwendung von spröden Werkstoffen hergestellt sind.

Bei Ein- und Auslaßventilen von Verbrennungsmotoren, wie bei spielsweise Benzin- und Dieselmotoren für Kraftfahrzeuge, die als Tellerventile ausgebildet sind, d. h. die einen an einem Ventilschaft befindlichen Ventilteller haben, der durch den Ventilschaft an einen Ventilsitz angedrückt wird, um den Ver brennungsraum des Motors abzuschließen, und von dem Ventil sitz abgehoben wird, wenn zu verbrennende Luft angesaugt oder Verbrennungsgase ausgestoßen werden sollen, sind die mate rialmäßig, insbesondere durch die mechanische und thermische Belastung, am meisten beanspruchten und/oder hinsichtlich ei ner Bruchgefahr kritischsten Stellen der Ventilsitz und der Ventilteller sowie der Übergang zwischen Ventilteller und Ventilschaft. Beim Einsatz von spröden Werkstoffen, wie Kera miken oder diversen Beschichtungen, die vor allem im Hinblick auf die hohe thermische Belastung solcher Ein- und Auslaßven tile vorgesehen werden, können die geforderte und notwendige Festigkeit und Lebensdauer nur dann erreicht werden, wenn fertigungsbedingte Werkstoff- und Bearbeitungsfehler an den vorgenannten kritischen Stellen des Ein- und Auslaßventils, die sich oft nicht vermeiden lassen, ein gewisses Maß nicht überschreiten, d. h., unter den jeweiligen örtlichen Betriebs beanspruchungen, wie Sich-in-Folge-Öffnen und Schließen des Ventils, Temperaturtransienten bzw. -fluktuationen und Gas drücken an den obigen höchstbeanspruchten Stellen unkritisch bleiben.

Aus diesen Gründen ist vor dem Einbau eines Ein- und Auslaß ventils, das ganz oder teilweise aus sprödem Werkstoff be steht, z. B. mit einer Beschichtung aus sprödem Werkstoff ver sehen ist, in einen Verbrennungsmotor, der in Serienfertigung hergestellt wird, eine Freigabe dieses Ein- und Auslaßventils erforderlich, nachdem dieses Ein- und Auslaßventil vorher ei ner zerstörungsfreien Belastungsprüfung, einem sogenannten Proof-Test, unterworfen worden ist, so daß auf diese Weise ausgeschlossen wird, daß im Betrieb die kritischen Bereiche Ventilsitz, Ventilteller und Übergang zwischen Ventilteller und Ventilschaft durch Werkstoff- und/oder Verarbeitungsfeh ler zu einem Versagen bzw. einer Störung des Ein- und Auslaß ventils vor Überschreiten der geforderten Lebensdauer führen können.

Ein wesentliches Problem bei der Durchführung solcher Bela stungsprüfungen bzw. Proof-Tests besteht darin, daß die bis her zur Erkennung der Ventilqualität und damit zur Freigabe eines solchen Ein- und Auslaßventils für den Einbau in einen Verbrennungsmotor eingesetzten zerstörungsfreien Verfahren keinen hohen Durchsatz ermöglichen, wie er für den seriellen Einsatz in der Massenfertigung von derartigen Ein- und Aus laßventilen und deren Einbau in Kraftfahrzeugmotoren erfor derlich ist. Daher ist es mit den Verfahren und Einrichtungen zur Belastungsprüfung von Tellerventilen für Verbrennungsmo toren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, bisher sinnvollerweise nur möglich, bei Ein- und Auslaßventilen für normale Kraftfahrzeuge, Stichprobenprüfungen durchzuführen, so daß also die Prüfung aller einzubauenden Ventile nur bei besonders hochbelasteten Kraftfahrzeugen, wie Rennwagen, Ral lyefahrzeugen, besonderen Sportwagen u. dgl. sowie bei beson ders teuren Kraftfahrzeugen und sehr hochbelasteten Nutzfahr zeugen wirtschaftlich durchführbar ist.

Aus der EP 0 660 101 A2 sind ein Verfahren und eine Einrich tung zum Prüfen von keramischen Tellerventilen bekannt, worin eine kombinierte thermisch-mechanische Belastung auf das Tellerventil angewandt wird, wobei mittels Anwendung von La serstrahlung und durch Kühlung ein hoher Temperaturgradient erzeugt wird, dem eine mechanische Dauer- oder Stoßbelastung auf den Ventilkopf überlagert wird. Die Aufwendungen zur Erzeugung der thermi schen Belastung sind hierbei hoch und über die relative Größe der mechanischen Belastung ist nichts angegeben.

Es sind in der JP-A-3-13842, soweit das aus den Pa tent Abstracts of Japan, Vol. 015, Nr. 131 (P-1186) entnommen werden kann, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von keramischen Tellerventilen beschrieben, worin das Tellerventil frei um seine Achse rotiert und eine Umlaufbiegebelastung auf das Ende des Ventilschaftes angenähert vertikal zur Ventilachse so angewandt wird, daß die Festig keit in der Nähe des Ventilkopfs geprüft wird. Über die rela tive Größe der Biegebelastung ist nichts ausgesagt.

Aus der prioritätsälteren, nicht vorveröffentlichten DE 197 05 412 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung eines aus sprödem Material bestehenden Bauteils, insbesondere eines aus Keramik hergestellten Tellerventils für Verbren nungsmotoren bekannt, bei dem durch Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Bauteils, insbesondere des Ventiltellers, eine Spannungsverteilung im Körper des Bauteils erzeugt wird, der art, daß die sich ergebende Spannungsverteilung einer vorge gebenen thermischen Belastung oder einer vorgegebenen thermi schen und mechanischen Belastung entspricht. Die gewünschte Spannungsverteilung wird mit einem speziell ausgebildeten Stempel erzeugt, dessen Stempelauflagefläche auf der Kopfflä che des Ventils so ausgebildet ist, daß eine Spannungsvertei lung im Ventilkörper erzeugbar ist, die mindestens teilweise einer thermischen Belastung entspricht.

Hinsichtlich der Dauer der Prüfung ist in der DE 197 05 412 A1 angegeben, daß der Zeitraum, in dem die Stempelkraft F auf die Kopffläche des Ventils einwirkt, relativ kurz, nämlich nur einige Sekunden zu sein brauche, da sich die Spannungs verteilung im Ventil unmittelbar einstelle und das Versagen durch Rißwachstum und Bruch sofort einsetzen würde. Nach die ser Konzeption ist das Ventil, wenn es dieser kurzen Bela stung von einigen Sekunden standhält, für den Einsatz geeig net und kann in einen Verbrennungsmotor eingebaut werden.

Außerdem ist in der DE 197 05 412 A1 beschrieben, daß bei der Prüfung eine Umlaufbiegebelastung auf den Ventilschaft simuliert werden kann, da beim Einsatz des Ventils in einem Verbrennungsmotor auch ein Biegemoment auf den Schaft wirken kann, wobei nichts darüber ausgesagt ist, welche relative Größe diese umlaufende Biegebelastung haben soll.

Eine derartige "quasistatische" Prüfung dient zur Aus scheidung von fehlerhaften Ventilen.

Gegenüber diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen wären ein Verfahren und eine Vorrichtung erwünscht, die den Bedürf nissen der Praxis optimal entsprechen, d. h. einerseits zuver lässige Prüfungsergebnisse für das Langzeitverhalten zur Ver fügung stellen und andererseits relativ schnell und unkompli ziert arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Belastungsprüfung von Ventilen der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, eine zerstörungsfreie Prüfung solcher Ventile unter entspre chender mechanischer Belastung, welche insbesondere die kri tischen Bereiche des Ventils, vor allem den Ventilsitz, den Ventilteller und den Übergang zwischen Ventilteller und Ven tilschaft erfaßt, mit einem hohen Durchsatz durchzuführen, d. h., mit einem derartigen Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand, daß eine solche Belastungsprüfung bzw. ein solcher Proof-Test auch bei Ein- und Auslaßventilen von seriengefertigten, ins besondere bandmontierten, normalen Kraftfahrzeugen wirt schaftlich sinnvoll ermöglicht wird und für das Langzeitver halten der Ventile zuverlässige Ergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, welches die folgenden Ver fahrensschritte umfaßt:

a) Aufbringen einer zyklischen Umlaufbiegebelastung auf den Ventilschaft, welche einem Mehrfachen der unter normalen Betriebsbedingungen durch die Ventiltellerrotation auf tretenden Biegebelastungen des Ventilschafts entspricht,

und

a) Aufbringen einer zyklischen Druckschwellbelastung auf den Ventilteller, welche den Ventilteller an den Ventil sitz andrückt und einem Mehrfachen des unter normalen Betriebsbedingungen auf den Ventilteller wirkenden Strö mungsmitteldurcks, z. B. Gasdrucks, entspricht.

Vorzugsweise werden die Druckschwellbelastung und die zykli sche Umlaufbiegebelastung zeitlich nacheinander angewandt, wobei es möglich ist, die zyklische Druckschwellbelastung und die zyklische Umlaufbiegebelastung abwechselnd mit je einer Anwendungsperiode, die größer als ein einzelner Druckschwell belastungszyklus bzw. ein einzelner Umlaufbiegebelastungszy klus ist, aufgebracht werden.

Schließlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch vorgesehen, die Belastungsprüfung aus aufeinanderfolgenden Prüfperioden von jeweils nur zyklischer Druckschwellbelastung und nur zyklischer Umlaufbiegebelastung zusammenzusetzen.

Besonders bevorzugt wird während des Aufbringens der zykli schen Umlaufbiegebelastung eine das Abheben des Ventiltellers vom Ventilsitz verhindernde Vorspannkraft auf den Ventiltel ler angewandt und/oder während der zyklischen Druckschwellbe lastung eine das Abheben des Ventiltellers vom Ventilsitz verhindernde Druckvorbelastungskraft der zyklischen Druck schwellbelastung überlagert.

Weiterhin wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die folgendes umfaßt:

a) eine Halterungsvorrichtung für die axial verschiebliche Halterung eines Ventilschafts;
b) eine Gegenhalterungsvorrichtung für die ortsfeste Halte rung eines Ventilsitzes;
c) eine an dem Ventilschaft lösbar anbringbare Umlaufbiege momenterzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines zykli schen Umlaufbiegemoments am Ventilschaft, insbesondere im Übergangsbereich zwischen Ventilteller und Ventil schaft; und
eine an den Ventilteller lösbar ankoppelbare Druckkraft erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Druckschwellbe lastung auf den Ventilteller.

Eine solche Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem verhältnismäßig begrenzten baulichen und gleichzeitig relativ beschränkten zeitlichen Aufwand durchzuführen.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Einrichtung so ausge bildet, daß die Umlaufbiegemomenterzeugungseinrichtung fol gendes umfaßt:

a) eine Nabe, die über ein Drehlager lösbar an den Ven tilschaft ankuppelbar und im angekuppelten Zustand um den Ventilschaft als Achse rotierbar ist;
b) eine Rotationsmasse, die radial beabstandet von der Achse an der Nabe angebracht ist und im Sinne einer Unwuchterzeugung ungleichförmig um die Achse angeord net ist; und
c) eine Drehantriebseinrichtung, die zum Rotieren der Nabe mit dieser verbunden ist.

Diese Einrichtung kann weiter so ausgebildet sein, daß die Rotationsmasse verschieblich und feststellbar sowie vorzugs weise austauschbar auf einem Hebel angeordnet ist, der sich radial von der Nabe aus erstreckt und/oder die Drehzahl der Drehantriebseinrichtung veränderbar ist, so daß auf diese Weise die Umlaufbiegebeanspruchung in weiten Grenzen ein stellbar ist und insbesondere den verschiedenen Ausführungen der zu prüfenden Ventile angepaßt werden kann.

Die Druckkrafterzeugungseinrichtung ist bevorzugt so ausge bildet, daß sie einen an den Ventilteller anpreßbaren Druck kolben aufweist, der beispielsweise servohydraulisch, pneuma tisch, elektrisch oder in sonstiger geeigneter Weise betätig- und steuerbar ist.

Zum Verhindern eines Abhebens des Ventiltellers vom Ventil sitz während der Belastungsprüfung bzw. des Proof-Tests ist bevorzugt eine Vorspannkraft- und/oder Druckvorbelastungs kraft-Erzeugungseinrichtung vorgesehen, die von der oben ge nannten Druckkrafterzeugungseinrichtung gebildet sein kann.

Die Er findung sei nachfolgend anhand einiger besonders bevorzug ter Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung und der Einrichtung nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform ei ner Einrichtung nach der Erfindung zur Belastungs prüfung bzw. zum Durchführen von Proof-Tests;

Fig. 2 eine Kurvendarstellung des zeitlichen Verlaufs ei ner bevorzugten Umlaufbiegebelastung, die in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung bzw. in der Einrichtung der Fig. 1 an gewandt werden kann;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung des Verlaufs einer Ausfüh rungsform der Druckschwellbelastung, die in einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung bzw. in der Einrichtung nach Fig. 1 angewandt wer den kann; und

Fig. 4 eine Kurvendarstellung, welche den Verlauf einer zeitlich aufeinanderfolgenden Druckschwellbelastung und Umlaufbiegebelastung in einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung bzw. im Betrieb der Einrichtung nach Fig. 1 veranschaulicht.

Die Einrichtung nach Fig. 1 ermöglicht eine Belastungsprü fung bzw. einen Proof-Test eines als Ein- und Auslaßventil in einem Verbrennungsmotor zu verwendenden Tellerventils, das einen Ventilschaft 1 aufweist, der durch einen Übergangsbe reich 2 mit dem Ventilteller 3 verbunden ist, sowie einen Ventilsitz 4, welcher in einem Ventilsitzring 5 vorgesehen ist.

Die Einrichtung nach Fig. 1 ist im wesentlichen aus den fol genden vier Teilvorrichtungen bzw. -einrichtungen aufgebaut:

a) einer Halterungsvorrichtung 6 für die axial verschiebli che Halterung des Ventilschafts 1, welche vor allem eine Ventilführung 7 aufweist oder ist;
b) eine Gegenhalterungsvorrichtung 8 für die ortsfeste Hal terung des Ventilsitzes 4 mit dem Ventilsitzring 5;
c) eine Umlaufbiegemomenterzeugungseinrichtung 9 zum Erzeu gen eines zyklischen Umlaufbiegemoments am Ventilschaft 1, insbesondere im Übergangsbereich 2 zwischen dem Ven tilschaft 1 und dem Ventilteller 3, wobei diese Umlauf biegemomenterzeugungseinrichtung 9 vorzugsweise - wie dargestellt - am freien bzw. dem Ventilteller 3 entge gengesetzten Ende 10 des Ventilschafts 1 vorgesehen ist; und
d) eine Druckkrafterzeugungseinrichtung 11 zum Erzeugen ei ner Druckschwellbelastung an dem Ventilteller 3, wozu die Druckkrafterzeugungseinrichtung 11 derart lösbar an den Ventilteller 3 ankoppelbar ist, daß das zu prüfende Ein- und Auslaßventil leicht in die Einrichtung der Fig. 1 eingefügt und aus dieser Einrichtung entnommen werden kann.

Die Umlaufbiegemomenterzeugungseinrichtung 9 ihrerseits um faßt bevorzugt die folgenden Hauptbauteile bzw. -bauteilgrup pen:

a) eine Nabe 12, die in der vorliegenden Ausführungsform topfförmig ausgebildet ist und ein Drehlager 13 ent hält, das beispielsweise ein Kugellager sein kann, und das lösbar an den Ventilschaft 1 ankuppelbar ist, und zwar vorliegend im Bereich einer Ventilschaftnut 14 oder mehrerer Ventilschaftnuten, die am freien En de 10 des Ventilschafts 1 vorgesehen ist bzw. sind; so daß die Nabe 12 kraftschlüssig mit dem Ventil schaft 1 verbunden und gleichzeitig frei um den Ven tilschaft 1 rotierbar ist;
b) eine Rotationsmasse 16, die mit dem Radius r von der Achse 15 beabstandet und auf einem an der Nabe 12 an gebrachten Hebel 17 verstell- und austauschbar ange bracht ist, so daß sowohl der Radius r variabel als auch die Rotationsmasse 16 veränderbar ist, wobei die Rotationsmasse 16 "ungleichförmig" um die Achse 15 angeordnet ist, so daß sie eine Unwucht erzeugt, wo bei bei der vorliegenden Ausführungsform von einer "punktuellen" Anordnung der Rotationsmasse 16 gespro chen werden kann, weil sie nur an einer Stelle eines einzigen radialen Hebels 17 vorgesehen ist; wobei es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung liegt, die Rotationsmasse 16 auch in anderer Weise vorzusehen, sofern nur eine das gewünschte Umlaufbiegemoment er möglichende Unwucht entsteht; und
c) eine Drehantriebseinrichtung 18, die zum Rotieren der Nabe 12 um die Achse 15 mit einer an der Nabe 12 an gebrachten Welle 19 verbunden ist, wobei die Drehan triebseinrichtung 18 nicht näher dargestellt, sondern nur durch einen die Drehbewegung andeutenden Doppel pfeil symbolisiert ist; diese Drehantriebseinrichtung 18 hat vorzugsweise eine variable Drehzahl n, durch welche einerseits die Frequenz des Umlaufbiegemoments und andererseits in Verbindung mit dem Radius, der Größe m der Rotationsmasse 16 und der veränderbaren Höhe des Hebelarms h zwischen der Drehlagerungsstelle des Ventilschafts 1 und dem Übergang 2 das Umlaufbie gemoment einstellbar ist, wie aus der in Fig. 2 dar gestellten Gleichung ersichtlich ist.

Die Druckkrafterzeugungseinrichtung 11 umfaßt in der vorlie genden Ausführungsform einen Druckkolben 20, dessen Durchmes ser D, beispielsweise durch Austausch, veränderbar ist, so daß auf diese Weise die Größe der Ankoppelungsfläche des Druckkolbens an den Ventilteller 3 veränderbar ist. Der Druckkolben 20, von dem nur das freie Ende angedeutet ist, wirkt mit einer variablen Druckschwellbelastung F auf den Ventilteller 3 ein, indem er servohydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder in anderer geeigneter Weise gesteuert bzw. betätigt an den Ventilteller 3 angepreßt wird.

Die weiter oben erwähnte Vorspannkraft und/oder Druckvorbela stung, welche ein Abheben des Ventiltellers vom Ventilsitz während der Belastungsprüfung bzw. des Proof-Tests verhin dert, wird vorliegend mittels der Druckerzeugungseinrichtung 11 erzeugt.

Bezüglich der Drehantriebseinrichtung 18 ist noch zu erwäh nen, daß diese ein nicht dargestellter drehzahlgeregelter Elektromotor sein kann, der mittels einer ebenfalls nicht dargestellten flexiblen Welle mit der Nabe 12, vorliegend über die Welle bzw. den Achsstummel 19, verbunden ist, so daß die eigentliche Drehantriebseinrichtung 18 von den Kräften entkoppelt ist, die durch die Rotationsmasse 16 an der Nabe 12 erzeugt werden.

Weiterhin ist bezüglich der Gegenhalterungsvorrichtung 8 dar auf hinzuweisen, daß diese ein Festlager ist, das dazu dient, die auftretenden Druckkräfte aufzunehmen, und das konstruktiv so ausgeführt ist, daß sich unter den erzeugten Belastungs kräften ähnliche Verformungsverhältnisse wie in dem Verbren nungsmotor ergeben, in dem das geprüfte Ein- und Auslaßventil eingebaut werden soll. In die Gegenhalterungsvorrichtung 8 ist der Ventilsitzring 5 eingesetzt. Hier werden bevorzugt Originalteile verwendet, damit eine weitestgehende Prüfung des tatsächlich einzubauenden Ventils erreicht wird.

Wie die Fig. 2, 3 und 4 in Verbindung mit der übrigen Er läuterung der Fig. 1 zeigen, besteht die Belastungsprüfung bzw. der Proof-Test aus zwei hintereinandergeschalteten Prüf vorgängen, die in den Fig. 2 und 3 einzeln und in Fig. 4 in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge dargestellt sind; diese beiden Prüfvorgänge sind:

1. eine zyklische Druckschwellbelastung, insbesondere des Ventilsitzes 4 und des Ventiltellers 3, wodurch mittels einer an- und abschwellenden Druckbelastungskraft F der Gasdruck in dem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmo tors simuliert wird, in den das geprüfte Ein- und Aus laßventil eingebaut werden soll; und
2. eine zyklische Umlaufbiegebelastung, insbesondere des Übergangsbereichs 2 zwischen Ventilschaft 1 und Ventil teller 3, wodurch eine Simulation der Bewegung des be weglichen Ventilteils 1, 2, 3, insbesondere von dessen Rotation, die im praktischen Betrieb des geprüften Ven tils auftritt, erfolgt.

Hinsichtlich der Druckbelastung ist erläuternd folgendes zu sagen:

Die zyklische Druckschwellbelastung des Ventilsitzes/Ventil tellers mit der Kraft F, wie sie in Fig. 3 beispielsweise veranschaulicht ist, wird, wie bereits erwähnt, über den Druckkolben 20 aufgebracht, wobei der Durchmesser D des Druckkolbens 20 so gewählt wird, daß die Spannungsverteilung am Ventilteller 3 mit derjenigen gut bzw. weitgehend überein stimmt, die sich im praktischen Betrieb des Ein- und Auslaß ventils durch den Gasdruck des Verbrennungsmotors ergibt.

Diese Spannungsverteilung wird vorab aus den Abmessungen des Ein- und Auslaßventils und den Kennwerten des Verbrennungsmo tors berechnet, um den geeigneten Durchmesser D des Druckkol bens 20 zu ermitteln. Wie die Fig. 3 anschaulich zeigt, wird die Druckkraft F zyklisch an- und abschwellend angewandt.

Damit der Druckkolben 20 nicht von der Fläche des Ventiltel lers 3 abhebt, wird bei der jeweiligen Entlastung die Druck kraft F nicht auf den Wert Null gefahren, sondern auf den Wert -F*_min, der z. B. 5% der maximalen Druckkraft -F* betra gen kann.

Für die Einstellung der maximalen Druckkraft -F* ist die Kenntnis der im Betrieb des Ventilsitzes/Ventiltellers auf tretenden maximalen Spannungen erforderlich. Rechnerisch muß zunächst die Last -F' gefunden werden, die die gleichen Span nungsspitzen wie der praktische Betrieb des Verbrennungsmo tors erzeugt. In der Belastungsprüfung bzw. in dem Proof-Test beträgt die maximale Prüflast, d. h. die maximale Druckkraft -F*, ein Vielfaches der vorgenannten Last bzw. Kraft -F', es gilt also -F* = f_F(-F'). Die sogenannte Überhöhung f_F sowie die Auswahl der Zyklen n_F ist vom Sicherheitskonzept des Her stellers des jeweiligen Verbrennungsmotors abhängig.

Bezüglich der Umlaufbiegebelastung ist erläuternd folgendes zu sagen:

Wie in Fig. 4, rechter Teil, veranschaulicht ist, wird wäh rend der Umlaufbiegebelastung das Ventil über den Druckkolben 20 mit einer Vorspannkraft -F_v gegen die Gegenhalterungsvor richtung 8 gedrückt, damit es während der Umlaufbiegebela stung nicht vom Ventilsitzring 5 abhebt. Diese Vorspannkraft -F_v liegt zwischen -F*_min und -F*.

Das Umlaufbiegemoment ergibt sich aus der, schon weiter oben erläuterten und in Fig. 2 angegebenen Gleichung:

M_b = h . m . r . (2π . n)²

worin h, m, r und n die in Fig. 1 dargestellte und in der weiter oben gegebenen Erläuterung der Umlaufbiegemomenterzeu gungseinrichtung in den Abschnitten (ii) und (iii) angegebene Bedeutung haben.

Für die praktische Bemessung der Umlaufbiegebelastung muß zu nächst rechnerisch das Biegemoment M_b' gefunden werden, das bei dem zu prüfenden Ein- und Auslaßventil die gleiche Span nung im Übergangsbereich 2 zwischen Ventilteller 3 und Ven tilschaft 1 erzeugt, wie sie im praktischen Betrieb des Ver brennungsmotors auftritt, in den das Ventil eingebaut wird. In der Belastungsprüfung bzw. dem Proof-Test beträgt dann das maximale Umlaufmoment +/-M_b* ein Vielfaches von M_b', so daß also gilt:

M_b* = F_m . M_b'.

Die Überhöhung F_m sowie die Anzahl der Zyklen n_M ist, ebenso wie das hinsichtlich der obigen Überhöhung f_F dargelegt wur de, vom Sicherheitskonzept des Herstellers des Verbrennungs motors, in den das Ventil eingebaut werden soll, abhängig.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß ein Ventil, welches eine kombinierte zyklische Druckschwellbelastung und zyklische Um laufbiegebelastung gemäß dem Verfahren der Erfindung bzw. in der erfindungsgemäßen Einrichtung ohne erkennbare Anrisse überstanden hat, für den Einbau im entsprechenden Verbren nungsmotor freigegeben werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Belastungsprüfung von Ventilen mit einem Ventilteller (3), der an einem Ventilschaft (1) vorgesehen und mittels desselben an einen Ventilsitz (4) andrückbar und von dem Ventilsitz (4) abhebbar ist, insbesondere zur Bela stungsprüfung von Ein- und Auslaßventilen, die zumindest teilweise aus sprödem Werkstoff bestehen, umfassend die fol genden Verfahrensschritte:

a) Aufbringen einer zyklischen Umlaufbiegebelastung (M_b*) auf den Ventilschaft (1), welche einem Mehrfachen (F_m) der unter normalen Betriebsbedingungen durch die Ventil tellerrotation auftretenden Biegebelastungen des Ventil schafts (1) entspricht,

und

a) Aufbringen einer zyklischen Druckschwellbelastung (F*) auf den Ventilteller (3), welche den Ventilteller (3) an den Ventilsitz (4) andrückt und einem Mehrfachen (f_F) des unter normalen Betriebsbedingungen auf den Ventil teller (3) wirkenden Fluiddrucks entspricht.
b) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die zyklische Druckschwellbelastung (F*) und die zyklische Umlaufbiegebelastung (M_b*) zeitlich nacheinander aufgebracht werden.
c) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die zyklische Druckschwellbelastung (F*) und die zyklische Umlaufbiegebelastung (M_b*) abwechselnd mit je einer Aufbringungsperiode, die größer als ein einzel ner Druckschwellbelastungszyklus und ein einzelner Umlaufbie gebelastungszyklus ist, aufgebracht werden.
d) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Ventilteller (3) während des Aufbringens der zyklischen Umlaufbiegebelastung (M_b*) eine das Abheben des Ventiltellers (3) vom Ventilsitz (4) verhindernde Vorspannkraft (-F_v) aufgebracht wird.
e) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der zyklischen Druckschwellbelastung (F*) eine das Abheben des Ventiltellers (3) vom Ventilsitz (4) verhindernde Druckvorbelastungskraft (-F*_min) überlagert bzw. angewandt wird.
f) Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannkraft (-F_v) und/oder die Druckvorbelastungskraft (-F*_min) konstant ist.
g) Einrichtung zur Belastungsprüfung von Ventilen mit einem Ventilteller (3), der an einem Ventilschaft (1) vorgesehen und mittels desselben an einen Ventilsitz (4) andrückbar und von dem Ventilsitz (4) abhebbar ist, insbesondere zur Bela stungsprüfung von Ein- und Auslaßventilen, die zumindest teilweise aus sprödem Werkstoff bestehen, umfassend:
- a) eine Halterungsvorrichtung (6) für die axial verschieb liche Halterung eines Ventilschafts (1);
- b) eine Gegenhalterungsvorrichtung (8) für die ortsfeste Halterung eines Ventilsitzes (4);
- c) eine an dem Ventilschaft (1) lösbar anbringbare Umlauf biegemomenterzeugungseinrichtung (9) zum Erzeugen eines zyklischen Umlaufbiegemoments (M_b*) am Ventilschaft (1), insbesondere im Übergangsbereich (2) zwischen dem Ven tilschaft (1) und dem Ventilteller (3);
  und eine an den Ventilteller (3) lösbar ankoppelbare Druck krafterzeugungseinrichtung (11) zum Erzeugen einer Druckschwellbelastung (F*) auf den Ventilteller (3).
h) Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umlaufbiegemomenterzeugungsein richtung (9) folgendes umfaßt:
- a) eine Nabe (12), die über ein Drehlager (14) lösbar den Ventilschaft (1) ankuppelbar und im angekuppelten Zu stand um die Achse (15) des Ventilschafts (1) rotierbar ist;
- b) eine Rotationsmasse (16), die radial beabstandet von der Achse (15) an der Nabe (12) angebracht und ungleichför mig um die Achse (15) angeordnet ist; und
- c) eine Drehantriebseinrichtung (18), die zum Rotieren der Nabe (12) mit dieser verbunden ist.
i) Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rotationsmasse (16) verschieblich und feststellbar sowie vorzugsweise austauschbar auf einem Hebel (17) angeordnet ist, der sich radial von der Nabe (12) aus erstreckt.
j) Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Drehzahl (n) der Drehan triebseinrichtung (18) veränderbar ist.
k) Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Druck krafterzeugungseinrichtung (11) an den Ventilteller (3), vor zugsweise die Größe der Ankoppelungsfläche, veränderbar ist.
l) Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkrafterzeugungs einrichtung (11) einen an den Ventilteller (3), vorzugsweise servohydraulisch, pneumatisch oder elektrisch, anpreßbaren Druckkolben (20) umfaßt.
m) Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Druckmesser (D) des Druckkolbens (20) veränderbar ist.
n) Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, ge kennzeichnet durch eine Vorspannkraft- und/oder Druckvorbelastungskraft-Erzeugungseinrichtung.
o) Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Druckkrafterzeugungseinrichtung (11) gleichzeitig die Vorspannkraft- und/oder Druckvorbela stungs-Erzeugungseinrichtung ist.