ITRM990619A1

ITRM990619A1 - Procedimento e dispositivo per il collaudo meccanico del disco di valvole ceramiche per motori a combustione interna.

Info

Publication number: ITRM990619A1
Application number: IT1999RM000619A
Authority: IT
Inventors: Karl-Heinz Thiemann; Holger Fleischer; Otto Iancu
Original assignee: Daimler Chrysler Ag
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-04-08
Also published as: IT1308241B1; DE19847210A1; JP2000131198A; ITRM990619A0; JP3328884B2; US6439047B1; DE19847210C2; FR2784463A1

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: "Procedimento e dispositivo -per il collaudo meccanico del disco di valvole ceramiche per motori a combustione interna",

L'invenzione riguarda un procedimento per il collaudo di dischi di valvole ceramiche di cambio di gas per motori a combustione interna, nonché un dispositivo per la realizzazione del procedimento.

Materiali ceramici falliscono alla sollecitazione meccanica nei punti difettosi, che possono essere sia difetti naturali di sinterizzazione sia difetti dovuti alla lavorazione, come spaccature di molatura o spaccature indotte per via termica. A seconda del tipo della sollecitazione, per il risultato negativo sono decisivi difetti di superficie o di volume.

Valvole di immissione e di scarico di nitruro di silicio (Si3N4) devono essere molate per ragioni economiche, nella produzione di un materiale grezzo sinterizzato, con dischi di molatura a diamante ad elevata velocità di taglio ed energia di limatura. Ciò significa che nella superficie e nella zona marginale vicina alla superficie vengono creati difetti. Questi difetti possono essere fenditure, parti di materiale disordinate e graffiature di molatura profonde. Nella molatura fine questi difetti vengono rimossi solo in parte. Di regola restano però mantenute nel materiale le graffiature di molatura. Il difetto delle valvole ceramiche di immissione e di scarico si verifica durante il funzionamento spesso nella zona marginale del disco della valvola. Il collaudo mirato del bordo del disco dopo la produzione delle valvole è quindi un compito prioritario della sicurezza di qualità. Questi collaudi non possono essere eseguiti,oppure solo con un notevole dispendio, con metodi di collaudo non distruttivi .

Dalla pubblicazione JP-3-264713 A è noto collaudare valvole ceramiche a mezzo di una prova a trazione. A tal fine il disco, da un lato e il gambo della valvola, dall'altro lato, vengono serrati in appropriate sedi di accoglimento.

Il compito dell'invenzione è quindi quello di realizzare un procedimento di collaudo e/o un dispositivo, con il quale le valvole ceramiche possono essere controllate in modo più semplice, potendo osservare in modo più semplice particolarmente il comportamento alla rottura e l'origine di quest'ultima e potendo quindi determinare , attraverso una misurazione della resistenza ,i difetti dovuti alla lavorazione, per quanto riguarda la loro estensione e il loro effetto. Questo compito viene risolto secondo l'invenzione mediante un procedimento avente le caratteristiche della rivendicazione 1.

Un disco di valvola viene sollecitato a flessione di una parte della sua zona marginale, che è minore della metà della circonferenza periferica, in maniera tale che venga sollecitato a trazione il lato della sede troncoconica del disco della valvola. Mediante un mezzo di sollecitazione, una pressione viene esercitata, in particolare in direzione assiale,in un primo punto di sollecitazione del disco di valvola, sul lato del disco giacente di fronte alla sede di valvola e una contropressione viene esercitata su due punti di sollecitazione sul lato della sede di valvola. Guardando in direzione circonferenziale, entrambi i punti di sollecitazione del lato della sede di valvola si trovano al di qua e al di là del punto di sollecitazione previsto sul lato opposto alla sede di valvola. I tre punti di sollecitazione si trovano entro una zona, che corrisponde alla metà della circonferenza periferica del disco di valvola.

I tre punti di sollecitazione possono trovarsi di preferenza entro una zona ristretta, che corrisponde ad un tratto compresso tra 1/6 e 1/12 della circonferenza periferica.

In questo modo questa zona del disco di valvola viene sollecitata localmente a pressione, il lato della sede di valvola essendo sollecitato a trazione, per cui viene provocato un difetto vicino alla realtà e riproducibile del disco di valvola.

Al posto di coni o sfere, che formano le zone di pressione puntiformi, come mezzi di sollecitazione possono essere usati rulli cilindrici o troncoconici, che trasmettono il carico al disco di valvola attraverso una linea di mantello. In tal caso i punti di sollecitazione sono linee di contatto. Queste linee di contatto sono orientate di preferenza radialmente sul lato opposto alla sede di valvola. Entrambe le linee di contatto possono estendersi tra dì loro a immagine speculare rispetto ad un piano assiale estendentesi attraverso la prima linea di contatto. Un orientamento radiale di queste linee di contatto è però ugualmente possibile.

Sul lato periferico, diametralmente opposto, del disco di valvola si trovano battute per i ritegno o fissaggio radiale dal disco di valvola rispetto ai mezzi di sollecitazione.

Con una appropriata scelta dei punti di pressione, entrambe le linee di contatto sul lato della sede di valvola possono essere più corte della larghezza del bordo del disco.

Il procedimento viene realizzato con un dispositivo, che presenta le caratteristiche della rivendicazione 10. Questo dispositivo di prova a pressione presenta una superficie di supporto e un punto di pressione. Il supporto è munito sul lato della sede di valvola del disco di due rulli di sollecitazione, disposti ad immagine speculare rispetto ad un piano assiale. Sul lato, che si trova diametralmente di fronte ai due rulli di sollecitazione, si trova un rullo dì battuta.

Altri vantaggi, caratteristiche e particolari dell'invenzione risultano dalle sottorivendicazioni nonché dalla seguente descrizione, in cui con riferimento al disegno verrà descritto in dettaglio un esempio di realizzazione particolarmente preferito. Le caratteristiche illustrate nel disegno e menzionate nelle rivendicazioni nonché nella descrizione sono essenziali per l'invenzione sia prese singolarmente sia in loro qualsiasi combinazione. Nei disegni:

la figura 1 mostra una vista laterale schematica del dispositivo di giunzione secondo l'invenzione;

la figura 2 rappresenta una sezione II-II attraverso il dispositivo secondo la figura 1;

la figura 3 mostra una sezione III-III attraverso il dispositivo secondo la figura 2;

la figura 4 mostra una analisi FE della massima tensione principale di una variante del dispositivo; e

la figura 5 mostra una tabella con impostazioni di parametri per il dispositivo di pressione.

Il dispositivo di pressione illustrato nella figure da 1 a 3, che può essere usato in una macchina di collaudo universale disponibile in commercio, consiste di un punzone di pressione 1 di un supporto 2, che è disposto in una incastellatura 3. Il supporto 2 presenta una apertura troncoconica 4, corrispondente ad un disco di valvola 14 (figura 4) e un foro cilindrico 5, corrispondente ad uno stelo di valvola 20, per accogliere il lato di sede 21 del disco di valvola 14. Il supporto vero e proprio 2 per il disco di valvola 19 consiste di tre rulli 6, 7 e 17, come si vede nella figura 3. I rulli 6, 7 e 17 giacciono in aperture semicilindriche 9 di un supporto 10. Al posto di realizzare in un solo pezzo il supporto 2, è vantaggioso munire un sostegno 11 del supporto di aperture, in cui possono essere inseriti inserti ricambiabili 12. Gli inserti 12 sono ricambiabili, per cui possono essere inseriti appropriati inserti 12 per rulli 6, 7 e 17 di diametri differenti, su raggi diversi, ossia con distanze differenti dallo stelo di valvola 20 e con differenti angoli di orientamento b. Con l'angolo di orientamento b si intende l'angolo tra il piano 13 del disco di valvola 19 e l'asse dei rulli 6, 7 o 17. La figura 3 mostra i due rulli 6, 7 e 17, i cui assi longitudinali sono orientati in direzione radiale rispetto all'asse di valvola 14. Entrambi i rulli 6 e 7 si trovano ad un angolo 2 x a di 30° tra di loro, angolo che può essere indicato quale angolo di apertura. Essi si trovano inoltre simmetricamente ad un piano verticale 15, che si estende attraverso il rullo 17. L'angolo a tra i rulli 6 e il piano 15 o tra il rullo 7 e il piano 15 ammonta rispettivamente a 15°. Questo angolo a può essere variato per il fatto che vengono usati inserti differenti 12, che accolgono i rulli 6 e 7 con angoli a differenti.

Come si può rilevare dalla figura 2, l'angolo di orientamento β può essere variato mediante inserti 12 con aperture più o meno inclinate 9. Sono possibili angoli di orientamento β compresi tra 25° e 65°. La figura 2 mostra una forma di realizzazione con un angolo di orientamento β di 45°.

Il punzone di pressione 1 è munito di due rulli 8 e 16, e precisamente del rullo di sollecitazione 8 e di un rullo di battuta 16. Questi due rulli 8, 16 sono orientati radialmente e giacciono diametralmente l'uno di fronte all'altro. Il punzone di pressione 1 è disposto sopra la superficie di supporto 2 in maniera tale che il rullo di battuta 16 si trovi, guardando in direzione assiale, al di sopra del rullo di battuta 17 del supporto 2. Guardando in direzione assiale, il rullo di sollecitazione 8 del punzone di pressione 1 si trova nel mezzo tra i due rulli di sollecitazione 6 e 7 della superficie di supporto 2. Nella forma di realizzazione illustrata nel disegno, tutti i rulli di sollecitazione da 6 a 8 e i rulli di battuta 16 e 17 sono orientati radialmente.

Gli assi dei rulli da 6 a 8, 16 e 17 e di conseguenza le loro linee di mantello possono estendersi anche ad angolo rispetto ai rispettivi raggi. Al posto di rulli cilindrici da 6 a 8, 16, 17 possono essere usati anche rulli troncoconici, che si trovano in aperture 9 della superficie di supporto 2, sagomate corrispondentemente a forma troncoconica.

Per migliorare la riproducibilità del comportamento a rottura delle valvole ceramiche collaudate 18, da un lato vengono esaminati .in una analisi meccanica mediante computer, parametri determinanti, come la lunghezza 1 dei rulli da 6 a 8, 16, 17 e l'angolo dì apertura (2a) dei rulli 6, 7 in relazione tra dì loro e, dall'altro lato, i risultati di una analisi FE vengono equilibrati mediante prove reali sul dispositivo di prova a flessione precedentemente descritto .

Esempio 1:

Analisi meccanica della valvola ceramica

L’analisi FE è stata eseguita su una valvola di immissione avente un diametro di 34 mm. Il carico ammontata a 9,8 kN, il modulo E era di 300 GPa e il Poisson era di 0,27. La lunghezza di applicazione 1 dei rulli è stata regolata a 8 mm. Durante l'analisi linear-elastica sono stati usati elementi finiti (FE) 3D con la base quadrata. Il modello di calcolo presenta 13332° di libertà. Per ragioni di simmetria, durante il calcolo è stata presa in considerazione solo la metà della geometria. Nella figura 4 è riprodotta la ripartizione della massima tensione principale in MPa (N/mm<2>), con una lunghezza di applicazione L di 8 mm e con un angolo a di 20°: Si può rilevare che sia nella zona marginale del disco di valvola 19 sia anche nella parte interna del disco di valvola 19 le notevoli tensioni si presentano in una zona 23 e in prossimità dei rulli di appoggio 16 e 17. Fino ad una distanza di circa 8 mm dal bordo, in una zona 25 le tensioni di trazione superano un valore di 430 MPa. La massima tensione si trova, in corrispondenza a 1080 MPa, in una zona 24 al di sotto del rullo dì sollecitazione centrale 8 e la sollecitazione di rottura di 900 MPa viene raggiunta ad una distanza di circa 4 mm dal bordo. La zona sollecitata a trazione comprende non solo il bordo del disco di valvola, ma anche zone che sono distanti dal detto bordo: questa analisi FE dimostra un comportamento di rottura non riproducibile.

I risultati delle prove sul dispositivo di prova a pressione coincidono con questa analisi FE.

Esempio 2:

Analisi meccanica nella valvola con una diversa applicazione di carico

La sollecitazione e i dati di materiali corrispondono all'esempio 1. Vengono variate le lunghezze di applicazione 1 dei rulli da 6 a 8, 16, 17 e l'angolo di apertura 2α. L'impostazione di parametri è riunita nella figura 5.

Il confronto delle analisi FE con le impostazioni di parametri 2, 3 e 4 della tabella, dimostra che con un accorciamento della lunghezza di applicazione 1 da 8 mm a 2,5 mm, il bordo del disco di valvola viene sollecitato in modo più forte e localizzato. L'analisi FE dimostra anche che un aumento dell'angolo di apertura 2a dei rulli 6 e 7 da 40° e 60° comporta un maggiore livello di sollecitazione e che la zona fortemente minacciata di rottura si estende ulteriormente nell'interno del disco. Una riduzione dell'angolo di apertura 2a da 40° da 30° comporta invece una sollecitazione di materiale elevata e strettamente limitata sul bordo del disco. L'esame attraverso il calcolo porta ad una ottimale applicazione di carico con una lunghezza di applicazione 1 dei rulli più corta e con un angolo di apertura minore 2a dei rulli 6 e 7. Per esaminare l'influenza di un accorciamento della lunghezza di applicazione 1 sul comportamento di rottura del bordo della valvola attraverso le prove sperimentali, sono stati usati rulli di applicazione molati obliquamente ed aventi un diametro di 8 mm su un cuscinetto a rotolamento. La lunghezza di applicazione 1 ammonta a 4 mm circa. Le prove confermano la previsione attraverso il calcolo, la zona di rottura è limitata sul bordo del disco. Il carico di rottura varia tra 12 e 15 kN. La superficie di rottura comprende un'area di circa 10 x 15 mm<2>.

Questi esempi dimostrano, che il rilevamento per via di calcolo del comportamento meccanico di valvole ceramiche 18 e le prove a flessione distruttive a tre punti rendono possibile una ottimizzazione dell'applicazione del carico nel bordo del disco di valvola. A causa dell'elevata sollecitazione locale si ottiene un comportamento a rottura controllato e riproducibile della valvola 18. Le prove dimostrano che con il nuovo dispositivo di collaudo possono essere eseguite sei prove per valvola 18. Il numero delle valvole collaudate 18 può essere in tale maniera ridotto alla metà del numero precedente. In tale maniera si ottiene una serie di possibilità di collaudo, come ad esempio:

- collaudo più volte ripetuto su una valvola 18 (all'incirca sei prove per valvola 18), misurazione dell’influenza di difetti definiti sulla resistenza; ad esempio fenditure ottenute in modo definito mediante impressioni di durezza, misurazione dell'effetto di fori sulla resistenza; - ottimizzazione del processo di molatura mediante la misurazione della resistenza a rottura sulla parte strutturale con super fici tecniche;

- misurazione del comportamento a fatica e della resistenza permanente alla sollecitazione ciclica. Infine, le dimensioni e la disposizione del dispositivo di prova a flessione possono essere variate, nell'ambito dell'invenzione, in maniera tale che il procedimento possa essere usato universalmente per il collaudo di valvole 18 aventi dimensioni differenti .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il collaudo di dischi di valvole ceramiche di cambio di gas (18) per motori a combustione interna, caratterizzato dalle seguenti fasi: - entro la metà della circonferenza periferica del disco di valvola (19) vengono scelti tre punti di sollecitazione; - mediante mezzi di sollecitazione viene esercitata una pressione in due punti di sollecitazione previsti sul lato (21) della sede del disco di valvola (19); - mediante mezzi di sollecitazione una pressione viene esercitata in un punto di sollecitazione previsto sul lato (22) del disco di valvola (19), opposto alla sede della valvola; - i punti di sollecitazione si trovano nella zona radialmente esterna del disco di valvola (19), in particolare nella zona della sede di valvola; e - uno dei punti di sollecitazione viene disposto tra i due altri punti di sollecitazione.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il lato di sede (21) del disco di valvola (19) viene sollecitato a trazione.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che con almeno un mezzo di sollecitazione su almeno uno dei lati (21, 22) del disco di valvola (19) viene esercitata una pressione diretta in direzione assiale della valvola.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che con almeno un mezzo di sollecitazione su almeno uno dei lati (21, 22) del disco di valvola (19) viene esercitata una pressione diretta in direzione ortogonale alla rispettiva superficie .
5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che a mezzo dei mezzi di sollecitazione sul disco di valvola (10) viene esercitata una sollecitazione puntiforme, lìneiforme o superficiale.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal, fatto che alla sollecitazione lineiforme viene orientata radialmente la linea di sollecitazione di almeno un mezzo di sollecitazione.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che alla sollecitazione lineiforme le linee di sollecitazione dei due mezzi di sollecitazione, agenti su uno dei lati (21 o 22) del disco di valvola (19), vengono disposte ad immagine speculare rispetto ad un piano contenente l'asse (14) dello stelo di valvola (20).
8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il disco di valvola (19) è appoggiato o fissato radialmente sul lato all’incirca diametralmente opposto ai punti di sollecitazione .
9. Dispositivo per la realizzazione di un procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, con una superficie di appoggio (2) per il disco di valvola (19) e con un punzone di pressione (1) per esercitare una forza di pressione sul disco di valvola (19), caratterizzato dal fatto che la superficie di appoggio (2) è conformata per accogliere il lato di sede (21) del disco di valvola (19), dal fatto che la sede di accoglimento (2) presenta due mezzi di sollecitazione, che si impegnano entro una metà della circonferenza periferica sul lato di sede di valvola (21) nella zona radialmente esterna del disco di valvola (19), in particolare nella zona della sede di valvola e dal fatto che sul lato (22), opposto alla sede di valvola, del disco di valvola (19) è previsto un altro mezzo di sollecitazione, che si trova tra i due mezzi di sollecitazione nominati per primi e nella zona radialmente esterna del disco di valvola (19).
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che i mezzi di sollecitazione sono rulli di sollecitazione da 6 a 8, coni di sollecitazione o sfere di sollecitazione.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che i rulli di sollecitazione (da 6 a 8) sono orientati radialmente.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che i mezzi di sollecitazione, che si impegnano su uno dei lati del disco di valvola (19), sono disposti ad immagine speculare rispetto ad un piano contenente l'asse (14) dello stelo di valvola (20).
13. Dispositivo secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che la lunghezza (1) dei rulli di sollecitazione (da 6 a 8) è compresa tra 2 10 mm, in particolare tra 2,5 e 8 mm, di preferenza tra 4 e 6 mm.
14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 13, caratterizzato dal fatto che le linee di sollecitazione dei rulli di sollecitazione (da 6 a 8) sono più corti della larghezza del bordo del disco di valvola (19).
15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 14, caratterizzato dal fatto che entrambi i rulli di sollecitazione (6 e 7) adiacenti al lato di sede (21) del disco di valvola (19), sono disposti in modo sfalsato in direzione circonferenziale di un angolo (a) compreso tra 15° e _ 30° rispetto all'altro rullo di sollecitazione (8) adiacente al lato (22) del disco di valvola (19), opposto alla sede di valvola.
16. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 15, caratterizzato dal fatto che l'angolo (β) tra il piano del disco di valvola (19) e l'asse del rullo di sollecitazione (6, 7) è compreso tra 25° e 65° ed è in particolare di 45°.
17. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da.9 a 16, caratterizzato dal fatto che i mezzi di sollecitazione, previsti nella superficie di appoggio (2), giacciono in aperture (9) di un inserto ricambiabile (12).
18. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 9 a 17, caratterizzato dal fatto che il punzone di pressione (1) presenta un rullo di pressione (8) e un rullo di battuta (16), che sono orientati assialmente e si trovano diametralmente l'uno di fronte all'altro .
19. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 9 a 18, caratterizzato dal fatto che guardando in direzione assiale, i rulli di battuta (16 e 17) del punzone di pressione (1) e della superficie di appoggio (2) sono disposti l'uno sopra l’altro.
20. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 19, caratterizzato dal fatto che i rulli (6, 7, 8, 12, 16) presentano un diametro che corrisponde ad un tratto compresso tra il 5 e il 15% del diametro del disco di valvola (19).