WO2013083108A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der kontur eines kolbenrings - Google Patents

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Jürgen Behnke
Christopher GARBROCK
Ralf PREUSS
Ulrich Melzer
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/005—Sealing rings

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the contour of a piston provided with a shock generated non-round.
  • Piston ring which should have a round contour in the engine operating condition, compared to a surrounding cylindrical sealing surface as possible be performed light gap.
  • piston rings were compressed to check this Lichtspaltdense or the radial pressure, for example by means of a clamping band and then checked the remaining radial gap between the outer peripheral surface of the piston ring and the clamping band or the radial pressure determined.
  • the invention has for its object to provide a method for measuring the contour of a provided with a shock non-rotatably produced piston ring, with which damage to be measured piston ring can be reliably avoided and thus the rejection can be reduced compared to the prior art.
  • This object is achieved on the one hand by a method for measuring the contour of a shock-provided non-round piston ring produced by an open
  • Piston ring placed on a rotatable body, at least one of the peripheral surfaces of the open piston ring is scanned contactless in the course of the rotational movement of the body, the measured values are stored in a data processing system and adjusted with predetermined stored contour reference values.
  • Piston ring receiving turntable and at least one non-contact measuring device wherein at least one of the peripheral surfaces of the open piston ring for detecting the contour of the respective peripheral surface on the at least one measuring device in the course of the rotation of the turntable mecanickelbar is.
  • the measured values of the second measurement can be compared at least with those of the first measurement. If here, too, no deviations from the intended contour are determined, this piston ring is now ready to be further processed. Supplementary measurements of the light gap tightness or the radial pressure by radially compressing the non-circularly produced piston ring are therefore unnecessary.
  • the piston ring which is produced in particular by winding, is deposited on an electrically driven precision rotary table and roughly aligned. Opposite this there is at least one laser, which in the course of the rotation of the turntable scans the contour of at least one of the circumferential surfaces, in particular the outer peripheral surface of the piston ring, in a non-contact manner.
  • the at least one laser sits on a precision guide in order to adjust the laser to the respective distance to the piston ring can.
  • the correct distance is displayed in a measuring program.
  • the measurement results can be displayed on a monitor, can be
  • Figure 1 schematic diagram of the inventive method for measuring the contour of a non-circular piston ring
  • Figure 2 Schematic diagram of a winding and measuring a non-round
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a measuring device 1, comprising a base body 2, which receives a drive element 3.
  • the main body 2, respectively the drive element 3, is provided for receiving a precision turntable 4.
  • the main body 2 furthermore accommodates a non-contact measuring device 5, which in this example should be formed by a single precision laser.
  • the laser 5 is provided at a predeterminable distance from the turntable 4.
  • a shock 6 piston ring 7 is to be measured.
  • the outer peripheral surface 8 of the piston ring 7th is measured from its contour.
  • the unstressed, ie open piston ring 7 is placed on the turntable 4 and roughly aligned.
  • the laser 5 is advantageously adjustable in the longitudinal and transverse directions (see arrows), so that also different high and different diameter from the piston rings 7 can be measured.
  • the measured values determined by the laser 5 are made available to a data processing system DV and compared with the contour reference values stored in same.
  • the data processing device DV is in this example in operative connection with a display device 9, which reflects a graphical representation 10 of the measured circumferential surface 8. Only hinted is the
  • the measured unrestrained piston ring 7 can be used for the further processing or assembly step, for example a heat treatment.
  • this piston ring 7 is subjected to a renewed measuring process, whereby here too the open-loop, i.e. unstrained
  • Piston ring 7 measured values are at least compared to those of the first measurement process. If the measured values are also within tolerance range T, piston ring 7 can be further processed or installed in the engine.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of a practical application of the
  • the subject matter Shown is the turntable 4, which receives the piston ring 7 and the laser 5 and the data processing device DV. Visible is the shock 6 of the piston ring 7. The turntable 4 is after coarse alignment of the
  • Piston ring 7 is scanned contactless. Here, too, a comparison between the measured contour values and the contour reference values takes place, which in the
  • Data processing device DV are stored.
  • the Data processing device DV with a piston ring winding device 11 (only indicated) in operative connection.
  • the piston rings 7 are wound out of round from the endless material 12 via winding rollers 13 according to their required diameter and in the region 14, for example by a cantilever blade (not shown) cut off from the continuous material 12.
  • a radially adjustable body 15 is provided, which can be positioned in the region of the inner and / or the outer circumferential surface of the wound piston ring 7.
  • the body 15 may also be formed as a role as needed.
  • the body 15 influences the degree of out-of-roundness of the piston ring 7 to be wound. If the contour measurement result determined by the laser 5 is outside the tolerance T, the winding process is influenced directly by the fact that correction values are transmitted to the body 15 and the tolerance deviations

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Abstract

Verfahren zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß versehenen unrund erzeugten Kolbenrings, indem ein offener Kolbenring auf einen rotierbaren Körper gelegt, mindestens eine der Umfangsflächen des offenen Kolbenrings im Verlauf der Rotationsbewegung des Körpers berührungslos abgetastet wird, die Messwerte in einer Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert und mit vorgegebenen abgespeicherten Konturreferenzwerten vergleichen werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Kontur eines Kolbenrings
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß versehenen unrund erzeugten Kolbenrings.
Um optimale Dichtergebnisse zu erzielen, muss ein zunächst unrund erzeugter
Kolbenring, der im motorischen Betriebszustand eine runde Kontur aufweisen soll, gegenüber einer umgebenden zylindrischen Dichtfläche möglichst lichtspaltdicht ausgeführt werden.
Bisher wurden Kolbenringe zur Überprüfung dieser Lichtspaltdichtigkeit bzw. des Radialdruckes beispielsweise mittels eines Spannbandes rund zusammengedrückt und anschließend der verbleibende radiale Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes und dem Spannband geprüft bzw. der Radialdruck ermittelt.
Beispiele derartiger Mess verfahren sind der US 2,441,343 sowie der US 3,946,602 zu entnehmen.
Allgemein bekannt sind gegossene und unrund bearbeitete sowie gewickelte
Kolbenringe.
Problematisch bei der im Stand der Technik beschriebenen Messweise ist, dass ein gemessener unrund hergestellter Kolbenring üblicherweise noch einer
Wärmebehandlung unterzogen wird, um gegebenenfalls vorhandene Spannungen - bedingt durch den Herstellungsprozess - aus dem Ring zu entfernen. Ist der Kolbenring nach seiner Herstellung radial zusammengedrückt worden, können hier bereits plastische Materialverformungen auftreten, die im Anschluss an die Wärmebehandlung eine andersartige als die vorgesehene Kontur mit sich bringen. Somit ist ein bestimmter Ausschussfaktor nicht ganz auszuschließen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß versehenen unrund erzeugten Kolbenrings bereit zu stellen, mit welchem Beschädigungen am zu messenden Kolbenring sicher vermieden werden und somit auch der Ausschuss gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden kann.
Darüber hinaus soll eine Einrichtung zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß versehenen unrund erzeugten Kolbenrings vorgeschlagen werden, die einfach im Aufbau ist und mittels welcher auch Rückschlüsse auf den Herstellvorgang, respektive Herstellparameter, des Kolbenrings gezogen werden können.
Diese Aufgabe wird einerseits gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß versehenen unrund erzeugten Kolbenrings, indem ein offener
Kolbenring auf einen rotierbaren Körper gelegt, mindestens eine der Umfangsflächen des offenen Kolbenrings im Verlauf der Rotationsbewegung des Körpers berührungslos abgetastet wird, die Messwerte in einer Datenverarbeitungsanlage gespeichert und mit vorgebbaren abgespeicherten Konturreferenzwerten abgeglichen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch eine Einrichtung zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß versehenen unrund erzeugten, insbesondere unrund gewickelten, offenen Kolbenrings, bestehend aus einem motorisch antreibbaren, den offenen
Kolbenring aufnehmenden Drehteller sowie mindestens einer berührungslos arbeitenden Messeinrichtung, wobei zumindest eine der Umfangsflächen des offenen Kolbenrings zur Feststellung der Kontur der jeweiligen Umfangsfläche an der zumindest einen Messeinrichtung im Verlauf der Rotation des Drehtellers vorbeifuhrbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen. Gegenüber dem Stand der Technik ist es nun möglich, einen ungespannten unrund erzeugten Kolbenring zu vermessen. Durch Gegenüberstellung der Messwerte mit in der Datenverarbeitungsanlage abgespeicherten Konturreferenzwerten, kann kurzfristig festgestellt werden, ob sich der vermessene unrunde Kolbenring im Toleranzbereich bewegt oder nicht.
Dadurch, dass der ungespannte Kolbenring keiner radialen Belastung und somit keiner möglichen Beschädigung unterworfen wird, kann er in diesem Zustand einer
gegebenenfalls notwendigen Wärmebehandlung unterzogen werden.
Im Anschluss an die Wärmebehandlung wird eine weitere Messung dieses Kolbenrings durchgeführt, deren Ablauf derjenigen des ersten Messverfahrens entspricht.
Da bereits erste Messwerte gegeben sind, können die Messwerte der zweiten Messung zumindest denjenigen der erste Messung gegenüber gestellt werden. Sofern auch hier keine Abweichungen von der vorgesehenen Kontur festgestellt werden, ist dieser Kolbenring nun bereit, weiter bearbeitet zu werden. Ergänzende Messungen der Lichtspaltdichtigkeit oder des Radialdruckes durch radiales Zusammendrücken des unrund erzeugten Kolbenrings sind somit entbehrlich.
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß wird der, insbesondere durch Wickeln erzeugte, Kolbenring auf einem elektrisch angetriebenen Präzisionsdrehtisch abgelegt und grob ausgerichtet. Diesem gegenüber befindet sich mindestens ein Laser, der im Verlauf der Rotation des Drehtisches die Kontur zumindest einer der Umfangsflächen, insbesondere der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings, berührungslos abtastet.
Der zumindest eine Laser sitzt auf einer Präzisionsführung, um den Laser auf die jeweilige Entfernung zum Kolbenring einstellen zu können. Die korrekte Entfernung wird hierbei in einem Messprogramm angezeigt. Die Messergebnisse können an einem Monitor angezeigt werden, lassen sich
bedarfsweise jedoch auch ausdrucken. Die Messergebnisse können graphisch
ausgegeben oder auch tabellarisch in Polarkoordinaten dargestellt werden.
Der Laser verfügt vorteilhafterweise über eine höhere Messauflösung als ein
mechanischer Messtaster.
Von besonderem Vorteil ist, dass diejenigen Mess werte, die im ersten und/oder zweiten Messvorgang ermittelt werden, unmittelbar in den Gestehungsprozess des Kolbenrings, insbesondere den Wickelprozess, einfließen können. Durch diese Maßnahme kann der Ausschuss noch weiter reduziert und eine hohe Qualität der Kolbenringe im
motorischen Betriebszustand herbeigeführt werden.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Kontur eines unrunden Kolbenrings;
Figur 2 Prinzipskizze eines Wickel- und Messvorgangs eines unrunden
Kolbenrings.
Figur 1 zeigt als Prinzipskizze ein Messgerät 1, beinhaltend einen Grundkörper 2, der ein Antriebselement 3 aufnimmt. Der Grundkörper 2, respektive das Antriebselement 3, ist zur Aufnahme eines Präzisionsdrehtellers 4 vorgesehen. Der Grundkörper 2 nimmt des Weiteren eine berührungslos arbeitende Messeinrichtung 5 auf, die in diesem Beispiel durch einen einzelnen Präzisionslaser gebildet sein soll. Der Laser 5 ist mit vorgebbarem Abstand zum Drehteller 4 vorgesehen. Erfindungsgemäß soll ein mit einem Stoß 6 versehener Kolbenring 7 vermessen werden. In diesem Beispiel dargestellt ist, dass mittels des Lasers 5 die äußere Umfangsfläche 8 des Kolbenrings 7 von ihrer Kontur her vermessen werden soll. Der ungespannte, d.h. offene Kolbenring 7, wird auf den Drehteller 4 gelegt und grob ausgerichtet.
Der Laser 5 ist vorteilhafterweise in Längs- und Querrichtung (siehe Pfeile) einstellbar, so dass auch unterschiedlich hohe und vom Durchmesser her andersartige Kolbenringe 7 vermessen werden können.
Die vom Laser 5 ermittelten Messwerte werden einer Datenverarbeitungsanlage DV zur Verfügung gestellt und mit in selbiger abgespeicherten Konturreferenzwerten verglichen. Die Datenverarbeitungseinrichtung DV steht in diesem Beispiel mit einer Anzeigeeinrichtung 9 in Wirkverbindung, die eine graphische Darstellung 10 der gemessenen Umfangsfläche 8 wiederspiegelt. Lediglich angedeutet ist der
Toleranzbereich T. Verbleibt die gemessene Kurve 10 der äußeren Umfangsfläche 8 des Kolbenrings 7 innerhalb des Toleranzbereiches T ist der gemessene ungespannte Kolbenring 7 für den weiteren Bearbeitungs- oder Montageschritt, beispielsweise eine Wärmebehandlung, verwendbar.
Im Anschluss an die Wärmebehandlung wird dieser Kolbenring 7 einem erneuten Messvorgang unterzogen, wobei auch hier die am offenen, d.h. ungespannten
Kolbenring 7, gemessenen Werte zumindest denjenigen des ersten Mess Vorgangs gegenübergestellt werden. Liegen die Messwerte auch hier innerhalb des Toleranzfeldes T kann der Kolbenring 7 weiter bearbeitet oder im Motor verbaut werden.
Figur 2 zeigt als Prinzipskizze einen praktischen Einsatzfall des
Erfindungsgegenstandes. Dargestellt ist der Drehteller 4, der den Kolbenring 7 aufnimmt sowie der Laser 5 und die Datenverarbeitungseinrichtung DV. Erkennbar ist der Stoß 6 des Kolbenrings 7. Der Drehteller 4 ist nach grober Ausrichtung des
Kolbenrings 7 auf selbigem rotierbar, wobei die äußere Umfangsfläche 8 des
Kolbenrings 7 berührungslos abgetastet wird. Auch hier findet ein Vergleich zwischen den gemessenen Konturwerten und den Konturreferenzwerten statt, die in der
Datenverarbeitungseinrichtung DV abgespeichert sind. In diesem Beispiel steht die Datenverarbeitungseinrichtung DV mit einer Kolbenringwickeleinrichtung 11 (lediglich angedeutet) in Wirkverbindung. Die Kolbenringe 7 werden vom Endlosmaterial 12 über Wickelrollen 13 entsprechend ihrem benötigten Durchmesser unrund gewickelt und im Bereich 14 beispielsweise durch ein fliegend gelagertes Messer (nicht dargestellt) vom Endlosmaterial 12 abgeschnitten. Um den Unrundwickelprozess beeinflussen zu können, ist ein radial verstellbarer Körper 15 vorgesehen, der im Bereich der inneren und/oder der äußeren Umfangsfläche des gewickelten Kolbenrings 7 positionierbar ist. Der Körper 15 kann bedarfsweise auch als Rolle ausgebildet werden. Der Körper 15 beeinflusst den Grad der Unrundheit des zu wickelnden Kolbenrings 7. Sofern das durch den Laser 5 ermittelte Kontur-Messergebnis außerhalb der Toleranz T liegt, wird unmittelbar dadurch auf den Wickelprozess Einfluss genommen, dass Korrekturwerte an den Körper 15 übermittelt werden und ein die Toleranzabweichungen
berücksichtigender optimierter Unrundbiegeprozess eingeleitet wird. Durch diesen Prozess kann bereits beim Wickeln der Kolbenringe 7 das Ausschussrisiko minimiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß (6) versehenen unrund erzeugten Kolbenrings (7), indem ein offener Kolbenring (7) auf einen rotierbaren Körper (4) gelegt, mindestens eine der Umfangsflächen (8) des offenen
Kolbenrings (7) im Verlauf der Rotationsbewegung des Körpers (4)
berührungslos abgetastet wird, die Messwerte in einer
Datenverarbeitungseinrichtung (DV) gespeichert und mit vorgegebenen abgespeicherten Konturreferenzwerten vergleichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der offene Kolbenring (7) erstmals nach Erzeugung seiner unrunden Kontur vermessen und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, woraufhin der wärmebehandelte offene Kolbenring (7) erneut vermessen wird und die Messwerte zumindest mit den Messwerten vor der Wärmebehandlung verglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
berührungslose Abtastvorgang durch mindestens einen Laser (5) vorgenommen wird, der mit vorgebbarem Abstand zur jeweiligen Umfangsfläche (8) des Kolbenrings (7) positioniert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Umfangsfläche (8) des Kolbenrings (7) berührungslos, insbesondere durch den Laser (5), abgetastet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) als Drehteller ausgebildet wird, der offene Kolbenring (7) grob ausgerichtet auf dem Drehteller (4) positioniert wird, der Abstand des Lasers (5) zum Kolbenring (7) ermittelt wird, der Drehteller (4) mit vorgebbarer
Umfangsgeschwindigkeit um eine Vertikalachse gedreht wird, wobei der offene Kolbenring (7) an dem mindestens einen stationären Laser (5) vorbeigeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (5) in radialer und/oder axialer Richtung lageveränderbar einstellbar ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Kolbenringe (7) Endlosmaterial (12) verwendet wird, der jeweilige Kolbenring (7) unrund gewickelt und unter Bildung des Stoßes (6) vom Endlosmaterial (12) abgetrennt wird, wobei die Kontur dieses unrund gewickelten Kolbenrings (7) erstmals vermessen wird und die Messwerte den in der
Datenverarbeitungseinrichtung (DV) abgespeicherten Konturreferenzwerten gegenübergestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den ersten Messvorgang der unrund gewickelte Kolbenring (7) einer
Wärmebehandlung und anschließend einem erneuten Messvorgang unterzogen wird, wobei zumindest die Messwerte der beiden Messvorgänge miteinander verglichen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die Messwerte des gewickelten Kolbenrings (7) bei Abweichungen von Toleranzwerten (T) an die Steuerung einer Wickelmaschine (1 1) weitergeleitet werden und die geometrische Kontur der zu wickelnden Kolbenringe (7) unter Berücksichtigung der gemessenen Abweichungen angepasst wird.
10. Einrichtung zur Messung der Kontur eines mit einem Stoß (6) versehenen unrund erzeugten, insbesondere unrund gewickelten offenen Kolbenrings (7), bestehend aus einem motorisch antreibbaren den offenen Kolbenring (7) aufnehmenden Drehteller (4) sowie mindestens einer berührungslos arbeitenden Messeinrichtung (5), wobei zumindest eine der Umfangsflächen (8) des offenen Kolbenrings (7) zur Feststellung der Kontur der jeweiligen Umfangsfläche (8) an der zumindest einen Messeinrichtung (5) im Verlauf der Rotation des Drehtellers (4)
vorbeif hrbar ist.
1 1. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslos arbeitende Messeinrichtung (5) durch einen Laser gebildet ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (5) relativ zum Kolbenring (7), insbesondere seiner äußeren Umfangsfläche (8), radial und axial verstellbar vorgesehen ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (DV) in Wirkverbindung steht.
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