Nachweis der Dichtheit gegossener Aluminiumräder Leak ... - Borbet
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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Son<strong>der</strong>druck Nr. 1 / 2003<br />
INHALTSVERZEICHNIS<br />
1. Einleitung<br />
2. <strong>Dichtheit</strong>sanfor<strong>der</strong>ungen an<br />
Rä<strong>der</strong> und Prüfverfahren<br />
3. Untersuchungen zum <strong>Nachweis</strong><br />
<strong>der</strong> Funktionstüchtigkeit <strong>der</strong><br />
<strong>Dichtheit</strong>sprüfung<br />
4. Ergebnisse <strong>der</strong> Untersuchungen<br />
5. Schlussfolgerungen<br />
6. Zusammenfassung<br />
7. Danksagung<br />
8. Literaturverzeichnis<br />
9. Anlagen<br />
- Vergleich <strong>der</strong> Produktionsfolge<br />
- Fundstelle - Schrottplatz<br />
- Gitterschnittprüfungen<br />
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Verfasser / Authors:<br />
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1 / 12<br />
Offprint No. 1 / 2003<br />
TABLE OF CONTENTS<br />
1. Introduction<br />
2. <strong>Leak</strong>age proof demands on<br />
wheels and test procedures<br />
3. Tests to prove the functional<br />
efficiency of the leak test method<br />
4. Test Results<br />
5. Conclusions<br />
6. Summary<br />
7. Note of thanks<br />
8. Bibliography<br />
9. Enclosures<br />
- Comparison of production sequence<br />
- Place of discovery - scrap yard<br />
- Cross-cut test<br />
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Dipl. Ing. F.-J. Völlmecke<br />
Dipl. Ing. Walter Anton<br />
BORBET GmbH, Hallenberg / Hesborn
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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1. Einleitung<br />
Neben den vielfältigen Anfor<strong>der</strong>ungen an die<br />
Fahrzeugrä<strong>der</strong> wie enge Toleranzen, sicheres<br />
Betriebsfestigkeitsverhalten und hoher Wi<strong>der</strong>stand<br />
gegen Witterungseinflüsse, wird die <strong>Dichtheit</strong> als<br />
ein wesentliches Merkmal <strong>der</strong> Funktionstüchtigkeit<br />
angesehen. Deshalb werden bei Rä<strong>der</strong>n, hier<br />
speziell <strong>der</strong> vom Reifen umgebene Felgenbereich,<br />
einer <strong>Dichtheit</strong>skontrolle unterzogen.<br />
DIN 50104 [2] besagt: „Die Anfor<strong>der</strong>ungen an die<br />
<strong>Dichtheit</strong> sind für Erzeugnisse unterschiedlich. Sie<br />
sind in den entsprechenden Qualitäts- und<br />
Liefernormen angegeben o<strong>der</strong> müssen vereinbart<br />
werden.“<br />
Die Überprüfung <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> ist in den<br />
Richtlinien zum <strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> Funktionstüchtigkeit<br />
von Rä<strong>der</strong>n (ISO, SAE, TÜV-Rä<strong>der</strong>richtlinie, AK-<br />
Rä<strong>der</strong>, JASU etc.) nicht enthalten. Diese<br />
Richtlinien dienen primär als Festigkeitsnachweis<br />
<strong>der</strong> Rä<strong>der</strong>, sodass unter Einbeziehung<br />
flankieren<strong>der</strong>, qualitätssichern<strong>der</strong> Kontrollen, wie<br />
beispielsweise visuelle Prüfungen, Röntgen- und<br />
Werkstoffuntersuchungen sowie <strong>der</strong><br />
Lebensdauernachweis im Zweiaxialen<br />
Versuchsstand (ZWARP), die For<strong>der</strong>ungen zur<br />
Produkthaftung an das Rad als Sicherheitsbauteil<br />
abgedeckt werden.<br />
Daher wird die <strong>Dichtheit</strong>sprüfung grundsätzlich in<br />
den zugehörigen Lastenheften und Werknormen<br />
<strong>der</strong> Fahrzeughersteller festgehalten. Die darin<br />
enthaltenen Anfor<strong>der</strong>ungen für Guss, - Schmiede -<br />
o<strong>der</strong> Stahlrä<strong>der</strong> sind inhaltlich unterschiedlich<br />
definiert. Dies betrifft sowohl anzuwendende<br />
Prüfmethoden als auch das Annahmekriterium wie<br />
hier, die zulässige Leckrate. Selten findet man<br />
noch Hinweise über Reparaturmöglichkeiten<br />
undichter Rä<strong>der</strong>, wie es früher z.B. nach dem<br />
Maldaner-Verfahren üblich war.<br />
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1. Introduction<br />
Apart from the diverse demands on vehicle wheels<br />
like tight tolerances, safe fatigue strength and high<br />
resistance to weather influences, leak proof is<br />
consi<strong>der</strong>ed to be a significant characteristic feature<br />
of functional efficiency. For these reasons, wheels,<br />
and in particular the rim areas covered by the tyre,<br />
are subjected to a leak control.<br />
German standard DIN 50104 [2] states: „The<br />
demands on leak proof vary for various products.<br />
They are ren<strong>der</strong>ed in the corresponding quality and<br />
delivery standards or have to be agreed upon.”<br />
The check of leakage is not contained in the<br />
guidelines on the proof of functional efficiency of<br />
wheels (ISO, SAE, TÜV Wheel Guideline, AK<br />
Wheels, JASU, et cetera). These guidelines are<br />
primarily used to substantiate the operational<br />
strength of wheels so that, un<strong>der</strong> inclusion of<br />
flanking quality assuring tests, such as visual<br />
inspections, X-ray and material examinations as<br />
well as fatigue tests on the biaxial test facility<br />
(ZWARP), the demands of product liability on the<br />
wheel are treated as a safety component.<br />
For this reason the leak test is mentioned in the<br />
appertaining specifications and work standards of<br />
vehicle manufacturers as a matter of principle. The<br />
stipulations in the specifications and work<br />
standards of the automotive industry for cast,<br />
forged or steel wheels are different in contents in<br />
general. This refers to possible test procedures as<br />
well as for the acceptance criterion, i.e. the<br />
permissible leak rate. However, only rarely are<br />
there indications on the repair possibilities of<br />
leaking wheels as this was usual in the past<br />
according to the Maldaner-Procedure.
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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2. <strong>Dichtheit</strong>sanfor<strong>der</strong>ungen an die Rä<strong>der</strong> und<br />
Prüfverfahren<br />
Ein „Leck“ ist allgemein definiert als eine undichte<br />
Fehlstelle im Funktionsbereich des Bauteils, durch<br />
welche stetig o<strong>der</strong> unstetig Gas von einem Bereich<br />
höheren Druckniveaus zu einem Ort nie<strong>der</strong>en<br />
Druckes gelangt. Die <strong>Dichtheit</strong> ist allgemein durch<br />
die zulässige Leckrate quantifiziert, die Einheit ist<br />
mbar l / s.<br />
Als <strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> eines Rades ist<br />
allgemein gefor<strong>der</strong>t, dass bei einem Überdruck von<br />
2 bar ein Luftdruckverlust von 0,2 bar in 6<br />
Monaten auftreten darf. Umgekehrt entspricht das<br />
einer Leckrate von ca. 3,2 x 10 -4 mbar l /s bei<br />
einem Reifenvolumen von 25 l.<br />
Hierbei ist zu beachten, dass die Gesamtverluste<br />
während des Betriebes wie z.B. Diffusionsverluste<br />
von Reifen und Ventil als auch mechanisch und<br />
thermisch induzierte Leckagen (Fahrstil,<br />
Überbeanspruchung, Wärmeentwicklung etc.)<br />
unberücksichtigt sind.<br />
2.1 <strong>Dichtheit</strong>sprüfung mit dem Wasserbad<br />
(Blasentest)<br />
Zur Überprüfung <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> von Rä<strong>der</strong>n wurde<br />
in <strong>der</strong> Vergangenheit ausschließlich <strong>der</strong> sogenannte<br />
Wasserbadtest o<strong>der</strong> Blasentest. (Bild 1) eingesetzt.<br />
Bei diesem Test wird das Rad mit Druckluft<br />
beaufschlagt, dann in ein Wasserbad getaucht und<br />
das Austreten von Luftblasen beobachtet.<br />
Um undichte Rä<strong>der</strong> frühzeitig auszuson<strong>der</strong>n zu<br />
können, erfolgen die Prüfungen unmittelbar nach<br />
<strong>der</strong> mechanischen Bearbeitung <strong>der</strong> Rä<strong>der</strong>. Neben<br />
den Vorteilen wie einfaches Handling und geringe<br />
Investitionskosten sind Nachteile mit dieser<br />
Prüfmethode verbunden:<br />
§ Der Test dauert relativ lange.<br />
§ Es ist nur eine subjektive qualitative<br />
Aussage (gut-schlecht) möglich, die<br />
sowohl vom Prüfer als auch von den<br />
Austrittsstellen am Rad abhängig ist.<br />
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2. <strong>Leak</strong> proof requirements on wheels and test<br />
procedures<br />
In general, a “leak” is defined as an untight fault in<br />
the functional area of the component, through<br />
which gas passes in a continuous or discontinuous<br />
process from an area with a higher pressure level to<br />
an area with a lower pressure. The performance of<br />
leak is determined by a maximum permissible<br />
leakage rate, the unit is mbar l/s.<br />
In general the leak-proof of a wheel requires that at<br />
an overpressure of 2 bar an air pressure loss of 0,2<br />
bar may occur in six months, which corresponds to<br />
a leakage rate of approx. 3,2 x 10 -4 mbar l /s at a<br />
tyre volume of 25 l.<br />
In this context, it should be taken into account that<br />
the overall losses during the operation, such as<br />
diffusion losses of tyres and valves as well as<br />
mechanically and thermally induced leakages<br />
(style of driving, overload, heat development et<br />
cetera) have not been taken into consi<strong>der</strong>ation.<br />
2.1 <strong>Leak</strong> proof test by means of the water<br />
bath test (Bubble Test)<br />
In the past the leak test of wheels was done<br />
exclusively by means of the so-called water bath<br />
test or bubble test (Fig. 1). In this test the wheel<br />
was charged with compressed air. Subsequently it<br />
was immersed in a water bath, and the penetration<br />
of air bubbles was observed.<br />
In or<strong>der</strong> to eliminate leaky wheels at an early stage<br />
already, tests are carried out directly after<br />
machining the wheel. Apart from the advantages,<br />
such as easy handling and low investment costs,<br />
there are many disadvantages linked with this test<br />
method:<br />
§ The test takes a relatively long time.<br />
§ Only a subjective qualitative statement is<br />
possible which depends on the examiner as<br />
well as on the leak position on the wheel.
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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§ Die Wirkungsrichtung <strong>der</strong> Druckluft<br />
entspricht nicht <strong>der</strong> Praxis.<br />
§ Geringe Prüfempfindlichkeit, nur<br />
signifikante Lecks sind erkennbar.<br />
§ Geringe Prozesssicherheit, daher hoher<br />
Schlupf undichter Rä<strong>der</strong>.<br />
Bild / Fig 1: Wasserbadtest<br />
Water bath test<br />
2.2 <strong>Dichtheit</strong>sprüfung nach dem Helium-<br />
Lecksuchverfahren<br />
Bei dieser <strong>Dichtheit</strong>sprüfung (Bild 2) wird das Rad<br />
an <strong>der</strong> Felgenaußenseite (Reifenseite) mit einem<br />
Helium-Luftgemisch beaufschlagt, während <strong>der</strong><br />
Bereich <strong>der</strong> Felgeninnenseite unter Vakuum<br />
gesetzt wird. Bei Undichtigkeit gelangt das<br />
Prüfmedium in kürzester Zeit z.B. bedingt durch<br />
Mikroporositäten <strong>der</strong> Felge, in den<br />
Vakuumbereich. Mittels intelligenter Technik und<br />
Sensoren wird die „Integrale Leckrate“ (Summe<br />
aller vorhandenen Leckagen) berechnet. Nach<br />
Überschreitung <strong>der</strong> festgelegten, als zulässig<br />
angesehenen Leckrate (beim Rad 3,2 x 10 –4 mbar<br />
l/s) wird das Rad ausgeson<strong>der</strong>t.<br />
Dieses Prüfverfahren bietet wichtige Vorteile<br />
gegenüber <strong>der</strong> Prüfung im Wasserbad:<br />
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§ The direction of the compressed air is<br />
doesn´t correspond with the practical use.<br />
§ Low test sensitivity which permits the<br />
recognition of significant leaks only<br />
§ Low process safety, thus a relatively<br />
high slippage of leaky wheels.<br />
Bild / Fig. 2: Helium-Lecksuchtest<br />
Helium leak test<br />
2.2 <strong>Leak</strong> proof test by means of the helium<br />
leak test<br />
In this leak test (Fig. 2) the wheel on the rim<br />
exterior (tyre side) is charged with a helium-air<br />
mixture whilst the area of the rim inside is placed<br />
un<strong>der</strong> a vacuum. In case of a leak the test medium<br />
passes through micro porosities off the rim into<br />
the vacuum area in next to no time. Thus, with<br />
intelligent engineering and sensors an “integral<br />
leak rate” (sum of all leaks present) is calculated. If<br />
the leak rate determined to be impermissible (in<br />
wheel 3,2 x 10 –4 mbar l/s) is exceeded, the wheel is<br />
rejected.<br />
This test procedure has some important advantages<br />
compared to the test in a water bath:
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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§ Vollautomatisches Prüfsystem<br />
§ Kurze Prüfzeit (innerhalb von Sekunden)<br />
§ Quantitative Bestimmung <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong><br />
durch Angabe <strong>der</strong> Leckrate, wodurch ein<br />
Vergleich <strong>der</strong> Prüfergebnisse möglich ist.<br />
§ Hohe Prüfempfindlichkeit.<br />
§ Hoher Automatisierungsgrad mit<br />
objektiven Prüfergebnissen.<br />
§ Hohe Prozesssicherheit<br />
§ Reproduzierbarkeit<br />
§ Das Rad wird im maßgeblichen<br />
Endzustand geprüft.<br />
Dem entgegen steht <strong>der</strong> Investitionsaufwand und<br />
eine sensible Prüftechnik, die saubere Prüflinge<br />
sowie ein sauberes Umfeld erfor<strong>der</strong>t. Um die<br />
Leistungsfähigkeit <strong>der</strong> Anlage voll nützen zu<br />
können, empfehlen die Hersteller, die Anlage nach<br />
dem Lackieren zu installieren. Wesentlicher<br />
Vorteil ist dabei die glatte und saubere Oberfläche<br />
<strong>der</strong> Prüflinge.<br />
In <strong>der</strong> BORBET-Gruppe hat bereits im Jahr 1995<br />
die Austria Alu-Guss, als einer <strong>der</strong> ersten<br />
Radproduzenten die automatische<br />
Heliumdichtheitsprüfung eingeführt. Es bestätigte<br />
sich die Empfehlung des Herstellers, dass für eine<br />
effiziente <strong>Dichtheit</strong>sprüfung <strong>gegossener</strong> Radfelgen<br />
<strong>der</strong> richtige Zeitpunkt in <strong>der</strong> Prozesskette, die nach<br />
dem Lackieren ist. Hier sind die Rä<strong>der</strong> sehr sauber<br />
und haben eine glatte Oberfläche. Auch das<br />
Prüfumfeld ist frei von Staub und sonstigen<br />
Verunreinigungen, wie sie in einer konventionellen<br />
Produktion auftreten können.<br />
Diese sich hier bereits andeutenden technischen<br />
und wirtschaftlichen Vorteile resultieren in<br />
beson<strong>der</strong>em Maße aus <strong>der</strong> Verlagerung <strong>der</strong><br />
<strong>Dichtheit</strong>sprüfung aus <strong>der</strong> laufenden Produktion an<br />
das Ende des Fertigungsprozesses. Darüber hinaus<br />
sind keine weiteren Prozessschritte erfor<strong>der</strong>lich die<br />
zusätzlich Kosten verursachen.<br />
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§ Full automatic operation test system<br />
§ Short test time (within seconds).<br />
§ Quantitative determination of the leakage<br />
by statement of the leak rate, thus<br />
permitting a comparison of the test results.<br />
§ High test sensitivity.<br />
§ High degree of automation with objective<br />
test results.<br />
§ High process safety<br />
§ Reproducibility<br />
§ The wheel is tested in the decisive final<br />
condition.<br />
The disadvantages are a high outlay in investment,<br />
a sensitive test method, clean test pieces as well as<br />
a clean surrounding. In or<strong>der</strong> to utilise the<br />
productive capacity of the plant completely, the<br />
manufacturer recommends to install the plant<br />
downstream after the painting process. A<br />
significant advantage is the smooth and clean<br />
surface of the test pieces.<br />
As one of the first wheel producers in the<br />
BORBET Group, Austria Alu-Guss introduced the<br />
automatic helium leak test in 1995. The<br />
recommendations of the manufacturers were<br />
confirmed that an efficient leak proof test of cast<br />
wheel rims is carried out best in the process chain<br />
downstream after the painting process. At this<br />
point the wheels are very clean and have a smooth<br />
surface. The testing floor is also free from dust and<br />
other impurities, which may occur during a<br />
conventional production process.<br />
These technical and economical advantages<br />
suggested here are specially realized by the transfer<br />
of the leak proof test to the end of the production<br />
process. Beyond this, no additional process steps,<br />
which produce costs, are required.
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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3. Untersuchungen zum <strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong><br />
Funktionstüchtigkeit <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong>sprüfung<br />
Die laufenden Produktionskontrollen (100 %-<br />
Prüfung) mit <strong>der</strong> Helium-<strong>Dichtheit</strong>sprüfung zeigen,<br />
dass durch Lackieren die <strong>Dichtheit</strong> erhöht wird,<br />
d.h., die ermittelte Leckrate an lackierten Rä<strong>der</strong>n<br />
wird reduziert. Dadurch kann sich ergeben, dass<br />
Rä<strong>der</strong> mit einer zulässigen Leckrate im lackierten<br />
Zustand, im unlackierten Zustand eine unzulässige<br />
Leckrate (> 3,2 x 10 -4 mbar l/s) aufweisen. Es stellt<br />
sich die Frage, ob damit die primäre For<strong>der</strong>ung an<br />
die <strong>Dichtheit</strong> von Rä<strong>der</strong>n auch dann gewährleistet<br />
wird, wenn das Rad variablen Betriebsbelastungen<br />
unterzogen wird.<br />
Da es technisch und wirtschaftlich von Bedeutung<br />
ist, gegossene Aluminiumrä<strong>der</strong> nach <strong>der</strong><br />
Lackierung, also im Endzustand auf <strong>Dichtheit</strong> zu<br />
prüfen, wurde in Zusammenarbeit mit dem<br />
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit, LBF<br />
Darmstadt, ein Untersuchungsprogramm<br />
festgelegt, mit dem die Zuverlässigkeit <strong>der</strong><br />
Raddichtheit nach Beanspruchung unter variablen<br />
Betriebsbelastungen überprüft werden kann.<br />
Die Untersuchungen wurden an nachstehendem<br />
Radtypen durchgeführt. (Bild 3 und 4)<br />
Bild / Figure 3: Prüfrad / Test Wheel<br />
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3. Tests to prove functional efficiency of the<br />
leak test methode<br />
Running production controls (100 %-test) by<br />
means of the helium leak test show that painting<br />
increases the leak proof, which means the<br />
determined leak rate of painted wheels is reduced.<br />
It may happen that wheels with a permissible leak<br />
rate in painted condition have an impermissible<br />
leak rate (> 3,2 x 10 -4 mbar l/s) in unpainted<br />
condition. This raises the question as to whether<br />
the primary demand for the leak proof of wheels is<br />
met when the wheel is subjected to variable<br />
operational loads.<br />
As there are technical and economical advantages<br />
of a leak proof test on painted wheels in final<br />
condition, a testing program in co-operation with<br />
the Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit, LBF<br />
Darmstadt / Germany, was determined, with which<br />
the reliability of the wheel leak proof un<strong>der</strong><br />
variable service loads could be analysed.<br />
The examinations were carried out on the<br />
following wheel types. (Figure 3 and 4)<br />
Bild / Figure 4: Radquerschnitt / Cross section<br />
of the aluminium wheel
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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Für die Untersuchungen wählte man mechanisch<br />
bearbeitet Rä<strong>der</strong> (unlackiert, Bild 3 und 4), die<br />
nach erfolgter Prüfung im Wasserbad als undicht<br />
ausgeson<strong>der</strong>t wurden. Anschließend wurden die<br />
Rä<strong>der</strong> vergleichsweise mit dem Helium-<br />
Prüfverfahren [5] getestet, um eine quantitative<br />
Aussage vorhandener Leckagen treffen zu können.<br />
Die gemessenen Leckagen lagen im Bereich von<br />
1,3 x 10 -3 bis 8,4 x 10 –4 mbar l/s, sodass sie von <strong>der</strong><br />
Anlage automatisch ausgeson<strong>der</strong>t wurden. Danach<br />
erhielten die Rä<strong>der</strong> die übliche 3-<br />
Schichtlackierung. Die anschließende<br />
<strong>Dichtheit</strong>sprüfung im Wasserbad war ebenso ohne<br />
Beanstandung wie die in <strong>der</strong> Heliumprüfanlage.<br />
Die ermittelten Leckraten waren jetzt deutlich<br />
geringer und lagen in <strong>der</strong> Größenordnung von 10 -7<br />
mbar l/s (siehe Tabelle 1).<br />
Zusätzlich wurde das dritte Prüfrad einem<br />
Salzsprühtest [7] von 1000 Stunden ausgesetzt.<br />
Tabelle / Table 1: Ermittelte Leckraten / <strong>Leak</strong>age rates determined<br />
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7 / 12<br />
For testing, machined wheels (unpainted, Fig. 3<br />
and 4) were chosen, which had been rejected as<br />
leaky according to the water bath test.<br />
Subsequently the wheels were tested comparatively<br />
by the helium test procedure [5] in or<strong>der</strong> to be able<br />
to make a quantative statement concerning the<br />
leakages.<br />
The leakages measured were in the range of 1,3 x<br />
10 -3 to 8,4 x 10 –4 mbar l/s, so that they were<br />
rejected by the plant automatically. Subsequently<br />
the wheels were provided with the usual threelayer<br />
paint. The following leak test in the water<br />
bath and the helium leak test system did not cause<br />
any complaint. The leak rates determined were<br />
significiantly lower now and were in the range of<br />
10 -7 mbar l/s (see table 1)<br />
Subsequently the third test wheel was subjected to<br />
a salt spray test [7] for a period of 1,000 hours.<br />
Zustand / Condition A: Unlackiert, nach <strong>der</strong> mechanischen Bearbeitung / Unpainted , after mechanical treatment.<br />
Zustand / Condition B: Lackiert , Endzustand / Painted, final condition.<br />
Zustand / Condition C: Lackiert, Endzustand, nach <strong>der</strong> ZWARP-Prüfung / Painted, final condition, after biaxial test<br />
Prüfrä<strong>der</strong><br />
Test<br />
Wheels<br />
Radzustand<br />
Wheel<br />
Condition<br />
Messung<br />
Measurement<br />
1<br />
<strong>Leak</strong>age rate<br />
[mbar l/s]<br />
Messung<br />
Measurement<br />
2<br />
<strong>Leak</strong>age rate<br />
[mbar l/s]<br />
Messung<br />
Measurement<br />
3<br />
<strong>Leak</strong>age rate<br />
[mbar l/s]<br />
Messung<br />
Measurement<br />
4<br />
<strong>Leak</strong>age rate<br />
[mbar l/s]<br />
Messung<br />
Measurement<br />
5<br />
<strong>Leak</strong>age rate<br />
[mbar l/s]<br />
Gesamtergebnis<br />
Overall result<br />
Rad 1 A 7.6 E -4 8.4 E -4 3.6 E -4 7.1 E -4 8.4 E -4 niO /NOK<br />
Wheel B 5.1 E -7 5.6 E -7 4.9 E -7 5.4 E -7 3.2 E -7 iO / OK<br />
C 5.2 E -7 5.4 E -7 5.0 E -7 5.3 E -7 5.5 E -7 iO / OK<br />
Rad 2 A 4.0 E -3 1.0 E -3 5.8 E -3 2.0 E -3 5.5 E -3 niO / NOK<br />
Wheel B 8.3 E -7 7.8 E -7 8.9 E -7 8.0 E -7 8.4 E -7 iO / OK<br />
C 8.3 E -7 8.2 E -7 8.4 E -7 8.1 E -7 8.5 E -7 iO / OK<br />
Rad 3 A 2.2 E -3 1.9 E -3 1.3 E -3 1.5 E -3 1.5 E -3 niO / NOK<br />
Wheel B 9.3 E -7 8.3 E -7 8.3 E -7 8.8 E -7 9.1 E -7 iO / OK<br />
C 1) 9.4 E -7 9.2 E -7 9.2 E -7 9.0 E -7 9.2 E -7 iO / OK<br />
1) Bemerkung / Remark: 1000 Stunden Salzsprütest vor <strong>der</strong> ZWARP-Prüfung / 1000 hours salt spray test before the<br />
biaxial test.<br />
2) i.O. / OK = in Ordnung / OK<br />
niO./ NOK = nicht in Ordnung / Not OK.<br />
2)
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
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Alle drei Rä<strong>der</strong> wurden im Fraunhofer Institut für<br />
Betriebsfestigkeit, LBF, <strong>der</strong> Prüfung unter<br />
simulierten Betriebsbelastungen [4] unterworfen.<br />
(Europa-Zyklus) Die im Zweiaxialen<br />
Radversuchsstand (ZWARP) aufgebrachten hohen<br />
Belastungen bewirken bei <strong>der</strong> Prüfstrecke von<br />
10.000 km (bei jedem untersuchten Rad) eine dem<br />
betrieblichen Einsatz von mindestens 300.000 km<br />
gleichwertige Ermüdung bzw. Werkstoffschädigung.<br />
Zur Kontrolle <strong>der</strong> möglichen<br />
Schädigung durch mehrmalige Reifenmontage o<strong>der</strong><br />
Umgebungsbedingungen wurden ergänzend zu <strong>der</strong><br />
simulierten Betriebsbelastung die Reifen mehrmals<br />
montiert und aufgepumpt (bis zu 10 mal). Die<br />
Rä<strong>der</strong> wurden nach dem Aufpumpen gelagert und<br />
in bestimmten Zeitintervallen Luftdruckkontrollen<br />
unterzogen. Abschließend wurden die Rä<strong>der</strong><br />
wie<strong>der</strong> einer vergleichenden Helium-<br />
<strong>Dichtheit</strong>sprüfung unterzogen.<br />
4. Ergebnisse <strong>der</strong> Untersuchungen<br />
Die 3 Rä<strong>der</strong> erreichten jeweils 10.000 km<br />
(gefor<strong>der</strong>te Versuchsdistanz) unbeanstandet. (Siehe<br />
Tabelle 1) Die Anrisskontrollen bei 7.500 km als<br />
auch nach 10.000 km ergaben keine sichtbaren<br />
Anrisse. Bei den Kontrollen des Reifendrucks <strong>der</strong><br />
ausgelagerten Rä<strong>der</strong> wurden Luftdrücke im<br />
Bereich von 2,05 bis 2,2 bar ermittelt. Die<br />
maximale Abweichung vom eingestellten Reifen-<br />
Nennluftdruck betrug somit 0,15 bar.<br />
Die Kontrolle <strong>der</strong> Leckraten <strong>der</strong> abschließenden<br />
Helium-Lecksuchtests [5] sind in Tabelle 1<br />
wie<strong>der</strong>gegeben. Sie lagen wie vorher im <strong>der</strong><br />
Größenordnung 10 -7 mbar l/s.<br />
Die Ergebnisse bestätigen folgendes:<br />
Durch Lackieren wird die <strong>Dichtheit</strong> <strong>der</strong> Radfelge<br />
erhöht (siehe Tabelle 1). Die vergleichenden<br />
Betriebsfestigkeitsuntersuchungen im Zweiaxialen<br />
Radversuchstand (ZWARP), selbst am<br />
vorkorrodierten Rad, zeigten, dass die Leckrate<br />
sich nicht verän<strong>der</strong>t hat. Offensichtlich ergibt die<br />
mo<strong>der</strong>ne Lackbeschichtung mit<br />
Einbrenntemperaturen bis zu 180° C eine<br />
wi<strong>der</strong>standsfähige Schicht an <strong>der</strong> für die <strong>Dichtheit</strong><br />
maßgebende Seite <strong>der</strong> Radfelge und sichert somit<br />
die dauerhafte Funktionstüchtigkeit <strong>der</strong> Rä<strong>der</strong>.<br />
_________________________________________________________________________________________<br />
8 / 12<br />
All three wheels were then subjected to a test un<strong>der</strong><br />
simulated operating loads [4] at the Fraunhofer<br />
Institut für Betriebsfestigkeit, LBF (Euro-Cycle).<br />
Given a test distance of 10,000 km (on each wheel<br />
tested) the loads applied on the bi-axial wheel test<br />
equipment (ZWARP) caused a fatigue or material<br />
damage, respectively, which corresponds to the<br />
operational use of at least 300,000 km. In or<strong>der</strong> to<br />
check the potential damage caused by fitting the<br />
tyre several times or by ambient conditions, the<br />
tyres were mounted several times and were inflated<br />
(up to ten times) in addition to the simulated wheel<br />
load. After inflation the wheels were warehoused<br />
and subjected to air pressure checks in certain<br />
intervals. Finally again, the wheels have been<br />
tested against leakage by a comparative heliumleak<br />
test procedure.<br />
4. Test Results<br />
The three wheels made the 10,000 km (required<br />
test distance) without any objections. The dye<br />
penetrant crack tests at 7,500 kms as well as after<br />
10,000 kms did not reveal any visible cracks. The<br />
check of the tyre pressure of the warehoused<br />
wheels revealed air pressures in the range of 2,05<br />
to 2,2 bar. The maximum deviation from the rated<br />
tyre pressure inflated was thus 0,15 bar.<br />
The values of the leak rates according to the<br />
following helium leak tests [5] are ren<strong>der</strong>ed in<br />
table 1. They stayed as ever in the range of 10 -7<br />
mbar l/s.<br />
The results verify the following:<br />
The leak proof of the wheel rim (see table 1) is<br />
increased by applying paint. The comparative<br />
operating proof-out tests in the biaxial test rig<br />
(ZWARP), even on a corroded wheel revealed that<br />
the leak rate did not change. Apparently, mo<strong>der</strong>n<br />
paints with baking temperatures of up to 180° C<br />
produce a resistive layer on the side of the wheel<br />
rim, which is decisive for the leak proof, and thus<br />
ensure the permanent functional efficiency of the<br />
wheels.
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
5. Schlussfolgerungen<br />
Die Kontrolle mit dem automatischen Helium-<br />
Lecksuchverfahren an lackierten Rä<strong>der</strong>n sichert<br />
einen <strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> von Felgen<br />
<strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong> [1]. Obwohl die<br />
Leckrate bei <strong>der</strong> Prüfung <strong>der</strong> lackierten Rä<strong>der</strong> im<br />
Vergleich zu <strong>der</strong> Leckrate bei nicht lackierten<br />
Rä<strong>der</strong>n verringert wird, liefert die<br />
<strong>Dichtheit</strong>skontrolle an lackierten Rä<strong>der</strong>n einen<br />
zuverlässigen quantitativen <strong>Nachweis</strong>, dass die<br />
For<strong>der</strong>ung von einem Luftdruckverlust 0,2 bar<br />
bei einem Überdruck von 2 bar innerhalb von 6<br />
Monaten erfüllt wird.<br />
Im Vergleich zur <strong>Dichtheit</strong>sprüfung mit dem<br />
Wasserbad-Test an unlackierten Rä<strong>der</strong>n liefert das<br />
Helium-Lecksuchverfahren an fertig lackierten<br />
Rä<strong>der</strong>n im Endzustand grundsätzlich eine bessere<br />
Vergleichsmöglichkeit <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong>squalität von<br />
Rä<strong>der</strong>n. Dafür wird eine hohe Sauberkeit <strong>der</strong><br />
Prüflinge und des Prüfumfeldes gefor<strong>der</strong>t, die bei<br />
<strong>der</strong> Fertigung von gegossenen Rä<strong>der</strong>n ohne<br />
zusätzlichen Aufwand am sichersten nach <strong>der</strong><br />
Lackierung erzielt werden kann.<br />
Die Leckrate lackierter Rä<strong>der</strong>n verän<strong>der</strong>t sich im<br />
Betriebseinsatz nicht. Sowohl die zeitlich<br />
verän<strong>der</strong>lichen Betriebsbelastungen wie auch die<br />
im Betriebseinsatz vorliegenden Einflüsse wie<br />
Luftdruck, mehrmalige Reifenmontage,<br />
Luftfeuchtigkeit o<strong>der</strong> Temperatur wirken sich auf<br />
die <strong>Dichtheit</strong> <strong>der</strong> Rä<strong>der</strong> nicht aus.<br />
Ergänzend wurden auch Lackuntersuchungen [6]<br />
an Rä<strong>der</strong>n vorgenommen, die seit Jahrzehnten im<br />
Einsatz waren. Von einem Schrottplatz entnahm<br />
man Rä<strong>der</strong> und unterzog diese einer Kontrolle <strong>der</strong><br />
Lackschicht. An keinem Rad konnten<br />
nennenswerte Verän<strong>der</strong>ungen bzw.<br />
Beschädigungen festgestellt werden. Beispielhaft<br />
zeigen die Lackierungen an Rä<strong>der</strong>n von Opel und<br />
Volkswagen, dass auch nach 12 bzw. 20 Jahren<br />
keine Qualitätsverluste an <strong>der</strong> vom Reifenluftdruck<br />
beaufschlagten Felgenseite erkennbar sind.<br />
(Bild 4 - 10)<br />
_________________________________________________________________________________________<br />
9 / 12<br />
5. Conclusions<br />
The check by means of the automatic leak test<br />
system on painted wheels guarantees a quantitative<br />
leakage proof of the rims made from casted<br />
aluminium. [1]. Although the leak rate is reduced<br />
in the test of the painted wheels compared to the<br />
leak rate of unpainted wheels, the leak proof test on<br />
painted wheels ren<strong>der</strong>s a reliable quantitative prove<br />
that the demand of an air loss of 0,2 bar at an<br />
overpressure of 2 bar within six months is met.<br />
Compared to the leak proof test by means of the<br />
water bath test on unpainted wheels, the helium<br />
leak test of painted wheels in final condition<br />
ren<strong>der</strong>s basicly a better possibility of comparison<br />
of the leak quality of the wheels. However, a high<br />
cleanliness of the test specimen and of the test<br />
surroundings are required which in the production<br />
of cast wheels can be obtained best of all without<br />
additional outlay downstream after the painting.<br />
The leak rate of painted wheels does not change<br />
during operational use. The continuously changing<br />
operating loads as well as influences in operational<br />
use, such as air pressure, several tyre changes,<br />
humidity or temperature, have no influence on the<br />
leakage of the wheels.<br />
Supplementary painting tests [6] were carried out<br />
on wheels which had been in use for decades.<br />
Wheels were obtained from a scrap yard, which<br />
then were subjected to a check of the painting. No<br />
changes or damage worth mentioning were<br />
revealed on any wheel. An exemplary paint test of<br />
Opel and Volkswagen wheels showed that even<br />
after twelve or twenty years, respectively, no<br />
quality losses could be noticed with respect to the<br />
painting on the rim side subjected to the tyre air<br />
pressure (Figs. 4 -10).
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
6. Zusammenfassung<br />
In dem Beitrag wird über Untersuchungsergebnisse<br />
zur Überprüfung <strong>der</strong> Güte <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong>sprüfung an<br />
lackierten Rä<strong>der</strong>n mit dem Helium-<br />
Lecksuchverfahren berichtet. Dafür wurden Rä<strong>der</strong><br />
ausgesucht, die im unlackierten Zustand eine<br />
unzulässige Leckrate von 3,6 x 10 -4 bis 8,4 x 10 -4<br />
mbar l/s hatten, aber nach <strong>der</strong> Lackierung eine<br />
Leckrate zwischen 3,2 x 10 -7 bis 5,6 x 10 -7<br />
aufwiesen (zulässige Leckrate 3,2 x 10 -4 mbar<br />
l/s). Mit diesen Rä<strong>der</strong>n wurden Versuche unter<br />
simulierten Betriebsbelastungen vorgenommen, die<br />
eine Werkstoffermüdung bewirken, wie sie beim<br />
Betriebseinsatz von 300.000 km hervorgerufen<br />
wird. Diese Versuche, wie auch begleitende<br />
Untersuchungen zu den Einflüssen aus<br />
wie<strong>der</strong>holter Montage und Luftaufpumpen <strong>der</strong><br />
Reifen sowie Korrosionseinwirkung zeigen, dass<br />
mit dem Helium-Lecksuchverfahren an lackierten<br />
Rä<strong>der</strong>n ein zuverlässiger <strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong><br />
erbracht wird.<br />
Als Synergieeffekt ergeben sich durch den Einsatz<br />
<strong>der</strong> automatisierten Helium-<strong>Dichtheit</strong>sprüfung<br />
nach <strong>der</strong> Lackierung wirtschaftliche Vorteile durch<br />
Reduzierung von Prüfzeiten, Betriebskosten sowie<br />
Einsparungen von Ressourcen in Form von Energie<br />
und Material. (Siehe Anlagen, Tabelle 2) In diesem<br />
Zusammenhang sei auch auf den Aspekt <strong>der</strong><br />
verbesserten Umweltverträglichkeit hingewiesen.<br />
7. Danksagung<br />
Unser Dank geht an dieser Stelle an Herrn Prof.<br />
Dr. Ing. V. Grubisic, Dr. Ing. G. Fischer und Dipl.<br />
Ing. R. Zinke vom Fraunhofer-Institut für<br />
Betriebsfestigkeit, LBF Darmstadt für die<br />
kompetente Beratung und Unterstützung im<br />
Rahmen dieses Projekts. Dank geht ebenso an<br />
Herrn Rüdiger <strong>Borbet</strong> (BORBET) und Herrn<br />
Helmuth Huber (Austria Aluguss).<br />
_________________________________________________________________________________________<br />
10 / 12<br />
6. Summary<br />
This article describes the test results obtained<br />
verifying the quality of the leakage test on painted<br />
wheels with the helium leak test procedure. For<br />
this purpose wheels were chosen which had an<br />
impermissible leakage rate of between 3,6 x 10 -4 to<br />
8,4 x 10 -4 mbar l/s in unpainted condition, but<br />
revealed a leakage rate of between 3,2 x 10 -7 to 5,6<br />
x 10 -7 after painting (permissible leakage rate 3,2<br />
x 10 -4 mbar l/s). These wheels were subjected to<br />
tests un<strong>der</strong> simulated operating loads which cause<br />
a material fatigue similar to that of an operational<br />
use of 300,000 kms. These tests as well as the<br />
accompanying tests on the influences of repeated<br />
mounting and inflating of the tyres as well as<br />
corrosion reveal that a reliable proof of leakage is<br />
furnished by the helium leak indication procedure<br />
on painted wheels.<br />
As a synergy effect, there are economic profits by<br />
applying the automated helium leak test after the<br />
final painting, such as reduction of testing time,<br />
operation costs as well as saving recources like<br />
material and energy. (See enclosures, table 2) In<br />
this context the aspect of the improved<br />
environmental compatibility should be pointed out.<br />
7. Note of thanks<br />
On this occasion, we wish to thank Professor Dr.<br />
Ing. V. Grubisic, Dr. Ing. G. Fischer and Dipl.-Ing.<br />
R. Zinke of the Fraunhofer Institut für<br />
Betriebsfestigkeit, LBF Darmstadt for the<br />
competent consultation and assistance during this<br />
project. We also wish to thank Mr. Rüdiger <strong>Borbet</strong><br />
(BORBET) and Mr. Helmuth Huber (Austria<br />
Aluguss).
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
8. Literaturverzeichnis / Bibliography<br />
[1] Fischer, G.; Grubisic, V.: Bewertung <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong>sprüfung von Felgen <strong>gegossener</strong> Rä<strong>der</strong> mit<br />
dem Testgas Helium. Stellungnahme, Fraunhofer-Institut LBF Darmstadt vom 7.11.2001.<br />
[2] <strong>Dichtheit</strong>sprüfung: DIN 50104, Beuth Verlag Berlin, November 1983.<br />
[3] Doodt, U., Pfeiffer Vacuum GmbH: Heliumlecksuche in <strong>der</strong> Automobilindustrie<br />
Referat Rad-Tech Tagung 2002, TÜV-Akademie, München 13./14.6.2002.<br />
[4] Zinke, R.; Fischer, G.; Hanselka, H.: Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an einem Leichtmetallrad<br />
unter dem Belastungsprogramm Europazyklus, LBF-Bericht Nr. 138452 vom 01.10.2002.<br />
[5] vdh – w. von <strong>der</strong> heyde gmbh: Bedienungsanleitung Heliumlecksuchanlage Nr. 80.3000400.DR<br />
von Oktober 1998.<br />
[6] Gitterschnittprüfung: DIN EN ISO 2409, Beuth Verlag Berlin, Oktober 1994.<br />
[7] Sprühnebelprüfungen: DIN 50 021, Beuth Verlag Berlin, Juni 1988<br />
_________________________________________________________________________________________<br />
9. Anlagen / Enclosures<br />
Tabelle 2 / Table 2: Vergleich <strong>der</strong> Produktionsfolge / Comparison of the production sequence<br />
Herkömmlich<br />
Traditional<br />
BORBET<br />
Group<br />
Standard<br />
1 2 3 4 5 6 7<br />
Gießen Röntgen Mechanische Reinigen, <strong>Dichtheit</strong>s- Vorbehandlung<br />
Bearbeitung Trocknen Prüfung Lackierung<br />
Casting X-Ray Mechanical Cleaning, <strong>Leak</strong> Proof Pre-Treatment<br />
Treatment Drying<br />
Test<br />
Painting<br />
Gießen Röntgen Mechanische<br />
Vorbehandlung Automatische Heautomatisiert<br />
Bearbeitung<br />
Lackierung <strong>Dichtheit</strong>sprüfung<br />
Casting X-Ray Mechanical<br />
Pre-Treatment Automatic Helium<br />
automatic Treatment<br />
Painting<br />
<strong>Leak</strong> Proof Test<br />
Bild / Fig. 4: Fundstelle Schrottplatz / Place of discovery – scrap yard<br />
_________________________________________________________________________________________<br />
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<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
Bild / Fig. 5: Opel- Rad, produziert 1982<br />
Opel-wheel, produced in 1982<br />
Bild / Fig. 7: VW-Rad, produziert 1990<br />
VW-wheel, produced in 1990<br />
Gitterschnittprüfungen an Rä<strong>der</strong>n / Cross-cut test on wheels [6]<br />
Bild / Fig. 9: Tiefbett Opel Rad. Ergebnis i.O.<br />
Rim of Opel wheel. Test result: OK<br />
_________________________________________________________________________________________<br />
12 / 12<br />
Bild / Fig. 6: Opel-Rad mit Datumsonne<br />
Opel-wheel with date sun<br />
Bild / Fig. 8: VW-Rad mit Datumsonne<br />
VW-wheel with date sun<br />
Bild / Fig. 10: Tiefbett VW Rad. Ergebnis: i.O.<br />
Rim of VW wheel. Test result: OK
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
<strong>Nachweis</strong> <strong>der</strong> <strong>Dichtheit</strong> <strong>gegossener</strong> Aluminiumrä<strong>der</strong><br />
<strong>Leak</strong> Proof on Cast Aluminium Wheels<br />
__________________________________________________________________________________________________________________________<br />
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