DE10030368B4

DE10030368B4 - Verfahren zum Ermitteln des Formfüllungsvermögens von Kolbenringen

Info

Publication number: DE10030368B4
Application number: DE2000130368
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr.-Ing. Rau; Peter Dipl.-Ing. Neumann (FH); Jürgen Braitmaier; Michael Dipl.-Ing. Seibold (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: DE10030368A1

Abstract

Verfahren zum qualitativen und reproduzierbaren Ermitteln der eigenelastischen Fähigkeit eines individuellen Exemplars eines Kolbenringes (21, 21'), eine unrund verzogene Form einer Zylinderlaufbüchse (14) einer Kolbenmaschine mehr oder weniger konturtreu auszufüllen – im folgenden "Formfüllungsvermögen" (FV) genannt –, mit folgenden Verfahrensschritten:
a) es wird eine in ihrer Form langzeit-stabile Testbüchse (31) als wesentliches Verfahrenshilfsmittel bereitgestellt und lagesicher sowie konzentrisch zur Prüflingsdrehachse (3) in einem Formprüfgerät (1) aufgenommen, welche Testbüchse (31) an ihrer Innenfläche (34) zumindest auf einem Teilbereich ihrer Längserstreckung einen Abschnitt (35) aufweist, der in seinem lichten Durchmesser im wesentlichen dem Nenndurchmesser (D) des zu prüfenden Kolbenrings (21') im Einbauzustand entspricht, dessen Innenfläche aber leicht unrund ausgebildet ist und mehrere untereinander gleich ausgebildete bogenförmige Ausbauchungen (37) aufweist, die gleichmäßig über den Zylinderumfang (Umfangsrichtung 42) verteilt sind, sich jeweils über einen der Anzahl der Ausbauchungen (37) entsprechenden Bruchteil eines Vollkreises erstrecken und jeweils untereinander gleichgroße Bogenhöhen (h) zwischen 15 und...

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zum Ermitteln des Formfüllungsvermögens von Kolbenringen; sie betrifft aber auch eine Testbüchse als einem wesentlichen Verfahrenshilfsmittel sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen sind in fertig montiertem Zustand nicht mehr exakt kreiszylindrisch ausgebildet, sondern leicht unrund verzogen. Entsprechend der Anzahl der um die Zylinderlaufbüchse herum angeordneten Zylinderkopfschrauben ist die Lauffläche gegenüber einem exakten Kreiszylinder mit drei oder vier über den Zylinderumfang verteilt angeordneten, bogenförmige Ausbauchungen versehen, wobei die Ausbauchungen an den jeweils höchsten Stellen eine Abweichung von etwa 15 bis 25 µm und u.U. auch mehr aufweisen können. Diese Formabweichung tritt ungeachtet der Bauform der Zylinderlaufbüchsen, also bei eingesetzten, sog. "nassen" Büchsen, bei eingepreßten Büchsen, bei eingegossene Büchsen oder bei aus dem selben Werkstoff wie dem des Kurbelgehäuses bestehenden und voll mit ihm stofflich integrierten Büchsen auf. Die Unrundheit ist nicht an allen axialen Stellen der Zylinderlaufbüchse gleichgroß, sondern hat an einer bestimmten axialen Stelle ein Maximum. Dieses axiale Maximum der Unrundheiten liegt axial auf der Höhe der gehäuseseitigen Gewindenester für die Zylinderkopfschrauben, bei herkömmlichen Kurbelgehäusen also nahe an der Trennebene zum Zylinderkopf. Bei Druckguß-Kurbelgehäusen, die zum Zylinderkopf hin offen ausgebildet sind, liegt das Unrundheits-Maximum weiter unten. Mit zunehmender axialer Entfernung von den Gewindenestern werden die Unrundheiten geringer.
Die leicht unrunde Verformung der Zylinderlaufbüchsen kann – je nach Flexibilität der Kolbenringe – zu einer verminderten Dichtwirkung der Kolbenringe führen. Es können bei schlechter Anpassung der Kolbenringe an eine unrunde Zylinderlaufbüchse mehr oder weniger lange und breite, bogenförmige Spalte zwischen der Lauffläche des Kolbenrings und der der Büchse auftreten. Derartige Spalte verursachen nicht nur einen Durchblasverlust am Kolben und somit einen verminderten Wirkungsgrad des Motors, also erhöhten Kraftstoffverbrauch, sondern auch einen erhöhten Schmierölverbrauch und dementsprechend ein erhöhtes Auftreten von Kohlenwasserstoffen im Abgas. Es ist also für den Motorentwickler wichtig, eine zuverlässige Information bezüglich der elastischen Anpassungsfähigkeit der Kolbenringe an eine unrunde Zylinderlaufbüchse zu bekommen.
Stand der Technik
Aus der EP 133 786 B1 ist ein gleitverschieblicher Kolben in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Kolben eine Kolbenringnut mit einem darin eingesetzten Kolbenring aufweist. Der Kolbenring ist aus einem formanpassungsfähigen, nicht metallischen Werkstoff gefertigt und drückt mit einem vorgegebenen Expansionsdruck an die Innenwandung des zugeordneten Zylinders.
Bisher wurde die für einen Kolbenring u.a. wesentliche Eigenschaft, nämlich einen unrund verzogenen Zylinder mehr oder weniger gut ausfüllen zu können, für jeden Kolbenringtyp über den sog. k-Faktor als feste Größe berechnet. Die den k-Faktor beeinflussenden konstruktiven und werkstofflichen Größen unterliegen jedoch Innerhalb einer Fertigungs-Losgröße gewissen Schwankungen oder Streuungen, die jedoch bei der rein rechnerischen Größe des k-Faktors unberücksichtigt bleiben, weil in ihn nur die Soll-Werte eines Ringtyps, nicht aber die tatsächlichen Ist-Werte eines individuellen Kolbenrings eingehen. Der k-Faktor ist daher allenfalls in der Lage, das Formfüllungsvermögen eines bestimmten Kolbenringtyps global zu kennzeichnen, nicht jedoch die innerhalb dieses bestimmten Kolbenringtyps toleranzbedingten Streuungen des Formfüllungsvermögens individuell deutlich zu machen.
Auf dem "International Congress & Exposition", der in Detroit, Michigan, USA vom 26. bis 29. Februar 1996 stattgefunden hat, wurde ein Beitrag von H. Hitosugi, K. Nagoshi, M. Komada und S. Furuhama mit dem Titel "Study an Mechanism of Lubricating Oil Consumption (LOC) Caused by Cylinder Bore Deformation" beigesteuert. Dieser Beitrag wurde auf den herausgegebenen Kongress-Unterlagen auf den Seiten 141 bis 150 als SAE-Paper 96 0305 veröffentlicht. Die Autoren befassen sich mit der Entwicklung einer Methode zur rechnerischen Vorhersage des Schmierölverbrauchs einer Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung des Zylinderverzuges. Ausgehend von einem mathematischen Modell, welches bereits die erwähnten bogenförmigen Spalte zwischen Kolbenring und Zylinderlauffläche und dementsprechend eine lokal größere Schmierfilmdicke berücksichtigt, geht es in dem Beitrag darum, das mathematische Modell zur rechnerischen Vorhersage des Schgmierölverbrauchs dahin zu er weitern oder zu verfeinern, daß die Anzahl der Ausbauchungen – zwei, drei oder vier – und deren Ausmaß an der höchsten Stelle bei der Berechnungen mit berücksichtigt werden können. Das Rechenmodell wurde an entsprechenden Versuchsmotoren experimentell überprüft.
In diesem Zusammenhang geht der Beitrag (SAE-Paper 96 0305) auch auf eine Vorrichtung zur Messung der Anpassungsfähigkeit des Kolbenrings an einen durch den Einfluß der angezogenen Zylinderkopfschrauben deformierten Zylinder ein. Für eine derartige Messung wurden kurze Abschnitte von Zylinderlaufbüchsen mit realitätsnah deformierten Zylinderbohrungen mit einem Nenndurchmesser von 83 mm jeweils in einen Halter eines Formprüfgerätes eingesetzt. Jeder Laufbüchsenabschnitt wurde durch einen O-Ring in dem Halter gesichert, so daß er sich gegenüber dem Halter nicht unkontrolliert bewegen konnte. In den Laufbüchsenabschnitt wurde ein zu überprüfender Kolbenring achssenkrecht eingesetzten und die Rückseite des Kolbenrings sowie die Zylinderbohrung mittels Mikrotaster an mehreren Umfangsstellen angetastet. Durch schrittweises Drehen des Probensatzes in Umfangsrichtung in 10°-Schritten und Antasten wurde dabei das Umfangsprofil des Kolbenrings und das der deformierten Bohrung und somit die Anpassungsfähigkeit des Kolbenrings an die leicht unrunde Zylinderbohrung gemessen. Nachdem die radiale Ringstärke über den Umfang hinweg nicht exakt konstant ist, wurde der zu untersuchende Kolbenring ferner in eine Büchse mit einer exakt kreisrunden Bohrung eingesetzt und auch bei diesem Probensatz wiederum die Rückseite des Kolbenrings sowie die Zylinderbohrung mittels Mikrotaster an mehreren, um 10°-Schritten zueinander versetzt liegenden Umfangstellen angetastet. Dadurch wurde das Umfangsprofil der radialen Kolbenringstärke gemessen. Die gefundenen umfangsmäßigen Veränderun gen der radialen Ringstärke wurden dann von dem gemessenen Wert des Umfangsprofils des Kolbenrings in der unrunden Bohrung abgezogen. Diese Profildifferenz entspricht der umfangsmäßigen Verteilung des auftretenden Spaltes zwischen der Lauffläche des Kolbenrings und der Innenfläche der Zylinderlaufbüchse. Die beschriebenen Messungen wurden an Zylinderbohrungen mit drei Erhebungen und an solchen mit vier Erhebungen unter Einsatz von Kompressionsringen mit jeweils verschiedener radialer Stärke durchgeführt. Zur Auswertung der Meßergebnisse wurde das gefundene Profil des eingesetzten Kolbenringes einerseits und der unrunden Zylinderlauffläche andererseits in ein Polardiagramm bei starker radialer Überhöhung eingezeichnet. Der Beitrag war im Prinzip nur an der Ermittlung der Spaltweite an der größten Stelle interessiert. In der Erörterung der gefundenen Ergebnisse wird u.a. festgestellt, daß ein radial weniger starker Kolbenring weicher und demgemäß anschmiegsamer ist.
Aus der Literaturstelle (SAE-Paper 96 0305) geht nicht hervor, wie die in das Formprüfgerät eingesetzten Abschnitte von Zylinderlaufbüchsen mit der leicht unrunden Kolbenlauffläche hergestellt worden waren, die alle in entspanntem Zustand bereits eine unrunde Zylinderlauffläche mit wahlweise drei oder mit vier Ausbauchungen aufwiesen. Die Ausbauchungen waren bezüglich ihrer Umfangserstreckung und ihre radialen Erhebung untereinander ungleichmäßig ausgebildet. Bei dem vierfach unrunden Laufbüchsenabschnitt erstreckten sich die Ausbauchungen zwischen den jeweils niedrigsten Stellen über einen Winkelraum von 92°, 105°, 71° und 92°. Die radiale Höhendifferenz zwischen der jeweils tiefsten und der höchsten Stelle der Ausbauchungen waren in der gleichen Reihenfolge 17 µm, 21 µm, 10 µm und 14 µm. Bei dem referierten dreifach unrunden Laufbüchsen abschnitt verhielt es sich ähnlich; die radialen Höhendifferenzen der Ausbauchungen waren hier im Durchschnitt um etwa 4 µm größer.
In der Zeitschrift MTZ Motortechnische Zeitschrift 48 (1987), Heft 11, ist auf den Seiten 467 ff ein Beitrag von P. Neumann, N. Rau und G. Hübner unter dem Titel "Bestimmung der Radialdruckverteilung an Kolbenringen" veröffentlicht. Bei der darin beschriebene Methode handelt es sich um ein iteratives Rechenverfahren. Ausgehend von der zuvor exakt ermittelten Form des Kolbenrings in entspannten Zustand wird unter Verwendung von Berechnungsmethoden des gekrümmten, schlanken Biegeträgers, unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls des Ringwerkstoffs und der sonstigen Ringabmessungen und unter der Annahme einer bestimmten Verteilung des Radialdruckes die Biegelinie des Kolbenrings unter dem Einfluß der angenommenen Radialdruckverteilung berechnet. Dann wird überprüft, in wie weit die ermittelte Biegelinie mit der Kreisform entsprechend des späteren Einbauzustandes übereinstimmt. Es wird dann entsprechend der festgestellten Abweichung von gerechneter Biegelinie und der Ziel-Kreisform mit einer ausgesucht veränderten, neu angenommenen Radialdruckverteilung eine neue Biegelinie ermittelt und erneut geprüft, in wie weit die Biegelinie nun mit der anzustrebenden Kreisform übereinstimmt. Durch wiederholte Berechnung der Ring-Biegelinie mit immer feiner modifizierten Radialdruckverteilungen kann schließlich eine solche Radialdruckverteilung gefunden werden, bei der die gerechnete Biegelinie mit der kreisrunden Einbauform des Kolbenrings mit hinreichender Genauigkeit übereinstimmt. Die so rechnerisch und iterativ gefundene, den Kolbenring in die spätere kreisförmige Einbauform elastisch verbiegende Radialdruckverteilung entspricht hinreichend genau der im Einbauzustand des Kolbenrings herrschenden Radialdruckverteilung zwischen Kolbenring und Zylinderlauffläche. Diese iterative Berechnungsmethode ist nicht auf exakt kreisförmige Biegelinien als Zielform beschränkt, sondern es können auch kompliziertere Zielformen der Biegelinie iterativ angenähert werden, beispielsweise solche, die einem Kolbenring durch eine unrunde Zylinderlaufbüchse aufgeprägt werden.
Die zu lösende Aufgabe
Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Messen des Formfüllungsvermögens eines Kolbenringes anzugeben, welches unter standardisierten Bedingungen zu einer objektiven und reproduzierbaren Bewertungszahl des Formfüllungsvermögens (FV) eines individuellen Kolbenrings führt, wobei die für einen bestimmten Kolbenring gefundene Bewertungszahl in ihrer Größe analog zur Güte des Formfüllungsvermögens dieses Kolbenrings sein soll. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Testbüchse als wesentliches Hilfsmittel zur Durchführung des Meßverfahrens sowie ein Verfahren zum Herstellen der Testbüchse anzugeben.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Meßverfahrens durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1, bezüglich der Testbüchse durch die von Anspruch 12 und bezüglich des Herstellungsverfahrens der Testbüchse durch die von Anspruch 18 gelöst.
Nach dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird eine formstabile Testbüchse als wesentlichem Verfahrenshilfsmittel bereitgestellt und in einem Formprüfgerät aufgenommen. Die Testbüchse ist an ihrer Innenfläche mit einem leicht unrund ausgebildeten Abschnitt mit vier bogenförmigen Ausbauchungen von etwa 20 µm versehen. Die von einem einbeschreibbaren Kreis und von den Ausbauchungen eingeschlossene Querschnittsfläche wird als Referenzfläche (F_R) verwendet. Durch konventionelle Formmessung des in den unrunden Testbüchsenabschnitt eingelegten Kolbenrings wird der Profilverlauf der Innenfläche des Kolbenringes über dem unrunden Abschnittsumfang ermittelt. In ähnlicher Weise wird – vorzugsweise in einem exakt kreiszylindrischen Abschnitt der Testbüchse – auch der Profilverlauf der radialen Stärke des Kolbenringes über dem Umfang ermittelt. Durch Differenzbildung beider Profilverläufe erhält man den Profilverlauf der radialen Spalte zwischen Kolbenring und unrundem Abschnitt und durch Integration deren Flächeninhalt (F_S). Die Beurteilungskennzahl Formfüllungsvermögen (FV) errechnet sich dann aus der Beziehung FV = 1 – F_S/F_R.
Wegen der unzureichenden Eignung des bisher verwendeten, sog. k-Faktors, das Formfüllungsvermögen eines individuellen Exemplars eines Kolbenringtyps zu kennzeichnen, wird erfindungsgemäß das Formfüllungsvermögen (FV) als eine neue Kenngröße für Kolbenringe eingeführt, die das individuelle Verhalten eines einzelnen Rings beschreibt und das Ergebnis einer konventionellen Formmessung ist. Damit hat man die Möglichkeit, Streuungen in der Qualität des Formfüllungsvermögens einzelner Exemplare von Kolbenringen zu erkennen und diesbezüglich gute von einzelnen schlechten Kolbenringen innerhalb eines Fertigungsloses nicht nur zu unterscheiden, sondern auch zahlenmäßig zu qualifizieren.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens können den Unteransprüchen 2 bis 11 und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Testbüchse den Unteransprüchen 13 bis 17 entnommen werden.
Figurenübersicht
Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
1 ein Formprüfgerät mit einer darin aufgenommenen Testbüchse zur Durchführung der Formmessungen an einem in der Testbüchse enthaltenen Kolbenring als Prüfling in Ausübung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens,
2 ein partiell dargestelltes, im Druckgußverfahren herstellbares Kurbelgehäuse mit offenem Deck und den eingeschraubten Zylinderkopfschrauben,
3 einen Kolbenring in Einzeldarstellung, und zwar einmal in entspanntem Zustand in vollen Linien und im gespannten Einbauzustand (strichpunktiert),
4 einen in den unrunden Abschnitt einer Testbüchse aufgenommenen Kolbenring, wobei die radialen Ausbauchungen der Testbüchse und das mehr oder weniger gute, elastische Anschmiegen des Kolbenringes darin radial stark überhöht dargestellt sind,
5 ein perspektivisch dargestelltes Meßlinien-Netzwerk der Innenfläche der Testbüchse mit dem deutlich erkennbaren Abschnitt der unrunden und dem der kreiszylindrischen Innenfläche,
6 eine Testbüchse, die in einen Verformungsdruckring aufgenommen ist, um sie – vorbereitend für die Herstellung der Innenfläche – gleichmäßig verformen zu können,
7 den Vorgang des Innenschleifens der unrund zu fertigenden Innenfläche und
8 eine Serie von zehn verschiedenen, abgewickelt dargestellten Profilverläufen der Spalte zwischen Kolbenringlauffläche und unrunder Testbüchsen-Innenfläche bei unterschiedlicher Umfangslage des Kolbenringstoßes innerhalb der Testbüchse, wobei – ganz unten und ebenfalls in abgewickelter Darstellung – die Testbüchsen-Innenfläche in richtiger Umfangslage in Relation zu den Profilverläufen mit dargestellt ist.
Ursachen des Laufbüchsenverzuges
Bevor das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen des Formfüllungsvermögens eines Kolbenrings 21, 21' (3) anhand eines Beispieles geschildert wird, soll zum einen im Zusammenhang mit 2 auf die Ursache der Verformungen der Zylinderlaufbüchsen eines Hubkolbenmotors und zum anderen auf ein für das erfindungsgemäße Meßverfahren wesentliches Hilfsmittel, nämlich die Testbüchse nach 4 oder 5 und das Verfahren zu deren Herstellung (6 und 7) eingegangen werden.
Bei dem in 2 partiell dargestellten Ausführungsbeispiel eines Kurbelgehäuses 11 sind für jede Zylinderlaufbüchse 14 jeweils vier Zylinderkopfschrauben 15 vorgesehen, die außerhalb der Zylinderlaufbüchse um diese herum angeordnet sind. Nachdem das in 2 gezeigte Kurbelgehäuse im Druckgußverfahren, also ohne die Verwendung von Sandkernen und ohne Hinterschneidungen, herstellbar ist, ist der um die Zylinderlaufbüchsen herum angeordnete Wassermantel 12 zur Trennebene 13 des Kurbelgehäuses hin offen ausgebildet, wobei der Wassermantel axial etwa bis zur Mitte der Zylinderlaufbüchse hinunterreicht und dort mit einer Abschlußwand 17 zum Kurbelwellenraum abgeschlossen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind unterhalb der Abschlußwand 17 in den zwischen Zylinderlaufbüchse 14 und Außenwand des Kurbelgehäuses gebildeten Zwickeln jeweils Materialanhäufungen zur Bildung von Gewindenestern 16 vorgesehen, in denen die vom Kühlwasser benetzte Zylinderkopfschrauben 15 im Kurbelgehäuse verankert sind. Wegen der Druckguß-Ausbildung des Kurbelgehäuses sind diese Gewindenester axial etwa mittig an den Zylinderlaufbüchsen angeordnet. Bei anderen Konstruktionen von gegossenen Kurbelgehäusen, bei denen der Wassermantel durch Sandkerne geformt wird, ist die Teilungsebene des Kurbelgehäuses zum Zylinderkopf hin im wesentlichen geschlossen; hier sind die Gewindenester im Bereich des oberen Randes der Zylinderlaufbüchsen angeordnet.
Nach der Montage des Zylinderkopfes stehen die Zylinderkopfschrauben 15 unter erheblicher Zugspannung und es werden an der Axialposition der Gewindenester Bördelmomente in die Wandung der Zylinderlaufbüchsen eingeleitet. Dies führt zu einer lokalen Ausbauchung der Lauffläche radial nach außen, die sich – abnehmend – nicht nur in Umfangsrichtung 42, sondern auch in Axialrichtung erstreckt. Das Ausmaß dieser Verformungen an der größten Stelle kann je nach Konstruktion der verschiedenen Komponenten der Hubkolbenmaschine unterschiedlich ausfallen. In den meisten Fällen beträgt die größte radiale Verformung der Zylinderlauffüchsen etwa 15 bis 25 µm. Da allermeist vier Zylinderkopfschrauben um die Zylinderlaufbüchsen herum angeordnet sind, treten in der Regel am Zylinderumfang auch vier Ausbauchungen auf. Diese Ausbauchungen sind jedoch untereinander in Querschnittsform und Scheitelhöhe keineswegs gleichmäßig ausgebildet, sondern recht unregelmäßig ausgeprägt, weil in diesem Zusammenhang konstruktiv vorgegebene Steifigkeits-Details des Kurbelgehäuses im Umfeld der Gewindenester mit eingehen, die von Gewindenest zu Gewindenest unterschiedlich sein können. In gewissen Sonderkonstruktionen können auch einzelne Zylinderkopfschrauben für zwei benachbarte Zylinderlaufbüchsen genutzt werden, so daß z.B. nur drei Zylinderkopfschrauben um je eine Zylinderlaufbüchse herum angeordnet sind. In einem solchen Fall treten drei Ausbauchungen am Zylinderkopf auf. In anderen Konstruktionen von Kurbelgehäusen, insbesondere bei mehrfach lokal ausgesteiften Laufbüchsenwandungen, können die durch die Zugkräfte der Zylinderkopfschrauben in die Zylinderlaufbüchsen eingeleiteten Bördelmomente auch zu einer höheren Anzahl von Ausbauchungen als der Anzahl der Zylinderkopfschrauben führen, z.B. zu acht Ausbauchungen.
Diese radialen Ausbauchungen der Lauffläche der Zylinderlaufbüchse sollen durch die Kolbenringe 21, 21' ausgeglichen werden. Bei schlechter Anpassung der Kolbenringe an eine unrunde Zylinderlaufbüchse werden nicht nur Durchblasverluste am Kolben, somit ein verminderter Wirkungsgrad des Motors, also erhöhter Kraftstoffverbrauch verursacht, sondern es wird auch vermehrt Schmieröl verbraucht, was dementsprechend zu einem erhöhten Auftreten von Kohlenwasserstoffen im Abgas führt.
Die Testbüchse als verfahrenswesentliches Hilfsmittel
Um das Formfüllungsvermögen eines Kolbenringes objektiv und mit einer reproduzierbaren Bewertungszahl quantitativ messen zu können, sieht die vorliegende Erfindung eine Testbüchse 31 vor, die die Ausbauchungen in einer standardisierten Form langzeitstabil nachbildet.
Äußerlich ist die z.B. in 1 in dem Formprüfgerät dargestellte Testbüchse 31 als ein Rohrtstück aus Stahl mit fein und maßgenau bearbeiteten Stirnflächen 32, sowie Außen- (33) und Innenflächen 34 ausgebildet. Das prozentuale Verhältnis der Wandstärke S_B zum Durchmesser der Testbüchse kann 10 bis 30 % betragen, sollte aber eher im Bereich von etwa 15 bis 20 liegen. Die Testbüchse sollte einerseits stabil genug sein, sich aber andererseits – herstellungsbedingt – auch kontrolliert elastisch verformen lassen. Wie die Darstellung der 5 mit einem bezüglich der radialen Formabweichungen stark überhöhten Netzlinienwerk deutlich machen soll, weist die fertig bearbeitete Testbüchse 31 an ihrer Innenfläche 34 zwei unterschiedlich geformte Abschnitte 35 und 36 auf. Die axiale Länge der beiden untereinander etwa gleichlangen Abschnitte 35 und 36 entspricht jeweils mindestens etwa dem Zehnfachen der axialen Kolbenringstärke, was in 5 nicht erkennbar ist, eher schon an dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Testbüchse 31 oder an dem Testbüchsenrohling 31' nach 6 abgeschätzt werden kann. Und zwar enthält die Testbüchse innenseitig zum einen einen Abschnitt 36 mit einer exakt kreiszylindrischen Innenfläche 34'', deren Durchmesser dem Nenndurchmesser D des zu prüfenden Kolbenrings 21' im Einbauzustand entspricht. Die Innenfläche 34'' des zylindrischen Abschnittes 36 der Testbüchse 31 weist einen Rundheitsfehler und einen Geradheitsfehler der Zylindermantellinien von maximal etwa ±1 μm auf. Daran schließt sich axial behinderungs- oder barrierefrei zum anderen ein Abschnitt 35 mit einer im Durchmesser im wesentlichen gleichgroßen Innenfläche 34' an, die leicht unrund ausgebildet ist. Der Abschnitt 35 enthält beim dargestellten Ausführungsbeispiel vier untereinander gleich ausgebildete, bogenförmige Ausbauchungen 37, die gleichmäßig über den Zylinderumfang 42 verteilt sind. Die Ausbauchungen 37 erstrecken sich jeweils über ein Viertel eines Vollkreises und sind untereinander gleichstark ausgebildet. In die Ausbauchungen ist ein exakter Kreis 38 einbeschreibbar, der die Ausbauchungen jeweils an den Umfangsstellen der Minima 41 berührt. Die Radialposition der Minima 41 darf also nur sehr gering, z.B. um etwa ±1 μm, gegenüber einem Mittelwert streuen. Auch bezüglich der Umfangslage sind die unterschiedlichen Minima 41 gleichmäßig bei geringer Winkelstreuung, z.B. nur etwa ±2°, über die Umfangsrichtung 42 verteilt. Ausgehend von diesem einbeschreibbaren Kreis erheben sich die Ausbauchungen 37 jeweils zu ihrem Maximum 40, welches exakt mittig mit der gleichen geringen Winkelstreuung zwischen den benachbarten Minima 40 liegt. Die von den verschiedenen Ausbauchungen 37 an den Maxima erreichte Bogenhöhe h streut ebenfalls nur sehr gering, z.B. nur um ±1 µm, wobei allerdings Testüchsen mit unterschiedlichen Bogenhöhen von etwa 15 bis 25 µm vorstellbar sind. Zwischen dem einbeschreibbaren Kreis 38 und den Ausbauchungen 37 ist eine Querschnittsfläche 39 eingeschlossen. Die Gesamtgröße dieser Querschnittsfläche wird bei der Berechnung des Formfüllungsvermögens als Referenzfläche F_R verwendet und muß für jede Testbüchse ermittelt werden und bekannt sein. Bei einem sinusförmigen Verlauf der Ausbauchungen, einem Nenndurchmesser D und einer Bogenhöhe h beträgt die Referenzfläche F_R unabhängig von der Anzahl der Ausbauchungen F_R = ½π × D × h, was beispielsweise mit einem Nenndurchmesser D = 80 mm und einer Bogenhöhe h von 25 µm zu einer Referenzfläche F_R von etwa 3,14 mm² führt. Um sicher zu gehen, wird man die tatsächliche Form der Innenfläche 34' des unrunden Abschnittes auf einem Formfrüfgerät genau ausmessen und die exakte Größe der Referenzfläche aus den bei der Formmessung generierten Daten ermitteln.
Die Herstellung der Testbüchse
Zum Herstellen einer solchen Testbüchse für die Verwendung in einem Verfahren zum Ermitteln des Formfüllungsvermögens eines Kolbenringes wird in einem ersten Bearbeitungsschritt ein Rohling 31' der Testbüchse 31 mit achssenkrechten und planen Stirnflächen 32 und mit zylindrisch bearbeiteten, koaxialen Außen- (33) und Innenfläche 34 hergestellt. An der Innenfläche 34 wird ein Bearbeitungsaufmaß gegenüber dem Fertigmaß für einen weiteren Bearbeitungsvorgang stehen gelassen. Der soweit fertiggestellte Rohling 31' der Testbüchse 31 wird mittels eines kräftig dimensionierten Verformungsdruckrings 52 gleichmäßig elastisch verformt.
In 6 ist ein Verformungsdruckring 52 dargestellt. Er ist axial kürzer als die Testbüchse bzw. ihr Rohling und sollte in jedem Fall radial mindestens so steif sein wie der Testbüchsenrohling auch, damit sich letzterer definiert verformen läßt. Zur Erhöhung seiner Steifigkeit ist der aus Stahl bestehende Verformungsdruckring zweckmäßigerweise gehärtet. Um ein gegenseitiges Ausrichten von Testbüchse und Druckring zu erleichtern, ist der Verformungsdruckring an allen Oberflächen maßgenau und bei feiner Oberflächengüte bearbeitet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Verformungsdruckrings 52 sind entsprechend der gewünschten Anzahl von vier Ausbauchungen vier gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Paare von Druckschrauben 53 vorgesehen, wobei die einzelnen Druckschrauben eines Paares bei gleicher Umfangslage axial versetzt angeordnet sind. Die Druckschrauben sind in dem Verformungsdruckring 52 radial verschraubbar und können auf die Wandung eines in den Druckring aufgenommenen Testbüchsenrohling 31' über Druckstücke 54 einwirken, wobei jedem Druckschraubenpaar jeweils ein gemeinsames Druckstück zugeordnet ist. Die Druckstücke legen sich jeweils entlang einer Mantellinie an die Außenfläche 33 des Testbüchsenrohlings an. Nachdem die Außenfläche 33 des Testbüchsenrohlings auch nach der nur geringfügigen Verformung zylindrisch-konvex geformt ist, genügt es, wenn die Druckstücke an ihrer Anlagefläche eben ausgebildet sind, um eine Kantenanlage zu vermeiden. Die Druckschrauben sind bezüglich ihrer Größe, d.h. im Durchmesser, so stabil ausgebildet und vorzugsweise aus gehärtetem Stahl hergestellt, daß sie unter den während der Büchsenverformung wirkenden Kräften allenfalls geringfügig nachgeben. Die Druckstücke 54 sind an den Enden der Druckschrauben verliersicher und spielarm befestigt.
Zum Verformen wird der Testbüchsenrohling 31' koaxial mit dem unrund zu gestaltenden Abschnitt 35 in den Verformungsdruckring 52 so eingesetzt, daß ein Teil des Testbüchsenrohlings 31' axial aus dem Verformungsdruckring 52 herausragt. Der Testbüchsenrohling 31' kann später mit diesem Ende in ein Spannfutter 59 einer Innenrundschleifmaschine 57 (7) aufgenommen werden. Um den Testbüchsenrohling 31' koaxial in den Verformungsdruckring 52 aufnehmen zu können, werden beide Teile auf eine ebene Richtplatte aufgelegt und der Testbüchsenrohling in den Druckring vorsichtig eingeklemmt. Durch iteratives Messen der Koaxialität von Testbüchsenrohling und Verformungsdruckring auf dem Formprüfgerät und Erhöhen der Druckkraft der Druckschrauben 53 mittels eines Drehmomentschlüssels wird die Verformung des Testbüchsenrohling kontrolliert erhöht. Zwischendurch wird auf dem Formprüfgerät immer wieder kontrolliert, ob die sich einstellenden Ausbauchungen zum einen in Axialrichtung alle zylindrisch und nicht etwa konisch sind und ob zum anderen die Scheitelhöhe der verschiedenen Ausbauchungen untereinander alle gleichgroß sind. Im Falle von festgestellten Fehlern oder Abweichungen muß beim nächsten Anzieh-Vorgang entsprechend korrigiert werden. Dies wird iterativ mit immer kleiner werdenden Schritten so weit fortgesetzt, bis das gewünschte Maß h gleichmäßig an allen Ausbauchungen erreicht ist. Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß in diesem Stadium die Ausbauchungen radial nach innen, also der endgültigen Form gerade entgegengesetzt gerichtet sind.
Der so maßgenau verspannte Testbüchsenrohling 31' wird gemeinsam mit dem Druckring an dem aus dem Druckring herausragenden Ende in das Spannfutter 59 einer Innen-Rundschleifmaschine 57 eingespannt und auf etwa der halben, innerhalb des Druckrings liegenden, axialen Länge des Testbüchsenrohlings 31', also im Bereich des Abschnitts 35, unter Abtrag des Bearbeitungsaufmaßes innenseitig rund geschliffen. Nachdem der Testbüchsenrohling nicht aus gehärtetem Stahl bestehen muß, sondern aus ungehärtetem Stahl hergestellt werden kann, kann die Innenrundbearbeitung auch auf einer Feindrehbank erfolgen. Nach dem Entnehmen des Testbüchsenrohlings aus dem Verformungsdruckring federt der elastisch verformte Rohling vollständig wieder auf, wobei die in verspanntem Zustand zylindrische Innenfläche anschließend die in 5 im Abschnitt 35 dargestellte Form dauerhaft und bleibend annimmt. Die bleibenden Ausbauchungen der Innenfläche 34' sind nun radial nach außen gerichtet.
Der aus dem Verformungsdruckring 52 entnommene, entspannte Testbüchsenrohling 31' wird – beschränkt auf den exakt zylindrisch zu gestaltenden Teil Abschnitt 36 des Testbüchsenrohlings 31' – unter dortigem Abtrag des Bearbeitungsaufmaßes innenseitig auf den Nenndurchmesser D des Kolbenrings 21' rund bearbeitet, z.B. rund geschliffen.
Die in der geschilderten Weise fertig gestellte Testbüchse 31 kann nun für das Meßverfahren verwendet werden. Es ist bei serienmäßig eingesetzten Kolbenringen zweckmäßig, wenn man sich für jeden Kolbenringdurchmesser von vornherein wenigstens eine Testbüchse zur stichprobenweisen Qualitätsüberwachung des Kolbenrings bereitlegt.
Der Kolbenring
Zunächst seien allgemein einzelne Details von Kolbenringen im Zusammenhang mit der Darstellung nach 3 terminologisch erläutert. Dort ist ein und derselbe Kolbenring in zwei unterschiedlichen Zuständen, nämlich als entspannter Kolbenring 21 in vollen Linien und in einem auf den Nenndurchmesser D gespannten Zustand (Kolbenring 21') entsprechend dem Einbauzustand im Motor und in der Testbüchse 31 strichpunktiert dargestellt. Beim gespannten Kolbenring 21' ist der Kolbenringstoß 22 nur einen Bruchteil der radialen Stärke s des Kolbenrings breit, wogegen sich der Stoß beim entspannten Kolbenring zur Maulweite M öffnet. Die dem Stoß 22 diametral gegenüber liegende Umfangsstelle des Kolbenrings wird als Kolbenringrücken 25 bezeichnet. Die Lauffläche 23 ist die radial äußere Fläche des Kolbenrings; sie ist nicht nur mit geringer Oberflächenrauhigkeit gestaltet, sondern meist auch besonders beschichtet. Demgegenüber ist Innenfläche 24 des Kolbenringes nur von untergeordneter Bedeutung und nur relativ grob bearbeitet.
Das Verfahren zum Messen des Formfüllungsvermögens
Um einzelne Exemplare eines Kolbenringes 21, 21' – seien es serienmäßig eingesetzte Kolbenringe, seien es Versuchsmuster von Kolbenringe im Rahmen einer Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen – qualitativ und reproduzierbar hinsichtlich ihres Formfüllungsvermögens FV überprüfen zu können, wird folgendermaßen verfahren:
Zunächst wird eine in der geschilderten Weise hergestellte, in ihrer Form langzeit-stabile Testbüchse 31 bereitgestellt, die im Nenndurchmesser dem des zu überprüfenden Kolbenrings entspricht. In den unrunden Abschnitt 35 dieser Testbüchse wird der zu überprüfende Kolbenring 21' als Prüfling achssenkrecht eingelegt, was unter Zuhilfenahme einer Ringspannzange, wie sie bei der Kolbenmontage verwendet werden, und eines kolbenähnlichen Schiebestückes geschehen kann.
Diese aus Testbüchse 31 und eingelegtem Kolbenring 21' bestehende Probeneinheit wird nach dem Vorbild von 1 konzentrisch zur vertikalen Drehachse 3 der Werkstückaufnahme 2 in ein Formprüfgerät 1 aufgenommen. Derartige Formprüfgeräte sind an sich in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Es handelt sich gewissermaßen um kleine Mehrkoordinaten-Meßgeräte mit hoher Meßgenauigkeit, bei denen der Prüfling um eine Drehachse verdreht werden kann. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 3 – wie gesagt – vertikal ausgerichtet. Mit der Werkstückaufnahme 2 kann der Prüfling mit hoher Genauigkeit um beliebige Schwenkwege bis hin zu kleinsten Winkelinkrementen weitergedreht werden, wobei die Umfangslage der Werkstückaufnahme laufend genau mit erfaßt wird. Seitlich neben der Drehachse ist eine Vertikalführung 5 für eine Führungskonsole 6 angebracht, die die Führungskonsole exakt parallel zur Drehachse zu führen erlaubt und ihren Verschiebeweg laufend exakt mit erfaßt. Innerhalb der Führungskonsole ist ein Tastarm 4 horizontal verfahrbar, dessen Verschiebeweg ebenfalls exakt gemessen wird. An dem der Werkstückaufnahme zugekehrten Ende des Tastarms sind verschiedene Anbauten zur Halterung eines Mikrotasters 7 anbringbar. Die Anbauten sind so ausgestaltet, daß die Tastspitze des Mikrotasters in eine die vertikale Achse 3 einschließenden Ebene zu liegen kommt.
Die Innenfläche 24 des im unrunden Abschnitt 35 der Testbüchse 31 bei bekannter Umfangslage des Kolbenringstoßes 22 eingelegten Kolbenrings 21' wird in dem Formprüfgerät 1 mit dem Mikrotaster 7 an mehreren verteilt am Umfang liegenden Antaststellen angetastet und das jeweilige, zu der Umfangslage gehörige Radialmaß festgehalten. Auf diese Weise wird der Profilverlauf der Kolbenring-Innenfläche über der unrunden Innenfläche 34' ermittelt. Hierbei wird in äquidistanten Winkel-Schritten im Bereich von 1 bis 5° vorgegangen, wobei ein Winkel-Schritt vorzugsweise 2° beträgt. Um Rauhigkeitseinflüsse und Antastzufälligkeiten zu eliminieren, wird die relativ rauhe Innenfläche 24 mit einem Krümmungsradius an der Tastspitze des Mikro tasters angetastet, der weit oberhalb der Oberflächenrauhigkeit der anzutastenden Oberfläche 34' liegt. Bei den anderen, mit einer geringeren Oberflächenrauhigkeit versehenen Oberflächen, nämlich den Innenflächen 34' und 34'' der Testbüchse könnte auch ein kleinerer Antastradius verwendet werden, jedoch können, nachdem es um die Ermittlung langer Oberflächenwelligkeiten geht, diese Flächen ohne weiteres ebenfalls mit dem gleichen, großen Antastradius angetastet werden.
In gleicher Weise wird auch die unrunde Innenfläche 34' der Testbüchse 31 an mehreren verteilt am Umfang liegenden Antaststellen mit dem Mikrotaster 7 des Formprüfgerätes 1 angetastet, wobei die Antaststellen an dieser Fläche umfangsgleich liegen, wie die Antaststellen beim Antasten der Kolbenring-Innenfläche 24. Durch die Serie der zweiten Antastungen und die dabei generierten Meßdaten wird ein umfangsgleich liegender Profilverlauf der Innenfläche 34' des Abschnittes 35 über der Umfangsrichtung 42 ermittelt. Durch Differenzbildung der Antastmaße der beiden erwähnten Profilverläufe wird ein neuer Profilverlauf, nämlich der Profilverlauf der Innenfläche 24 des Kolbenringes 21 über der Umfangsrichtung 42 der unrunden Innenfläche 34' ermittelt.
Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, daß trotz der Verwendung von Tastern mit relativ großem Antastradius bei der hohen hier zu fordernden Meßgenauigkeit die Antastmaße aufgrund bestimmter Oberflächenunregelmäßigkeiten um ein bestimmtes Maß streuen oder – signaltechnisch ausgedrückt – verrauscht sein können. Es gehört zu den Grundlagen der Signalverarbeitung, daß von verrauschten Signalen nicht unmittelbar Differenzen gebildet werden dürfen, sondern daß der Verlauf der Einzelsignale zunächst geglättet und der Rausch- Anteil weitgehend eliminiert werden muß. Derart "entrauschte" Signalverläufe dürfen ohne Signalverfälschung voneinander subtrahiert werden. Obwohl dieses Glätten der Signalverläufe vor der Differenzbildung nicht jedesmal ausdrücklich erwähnt wird, soll hier jedoch unterstellt werden, daß es gleichwohl in allen Fällen einer geschilderten Differenzbildung zwischen zwei verschiedenen Datensätzen vorgenommen wird.
Nachdem die radiale Stärke s des Kolbenrings 21' in Umfangsrichtung nicht mit der hier geforderten Genauigkeit konstant ist, muß auch diese über dem Umfang (Richtung 42) des gespannten Kolbenrings 21' ermittelt werden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten, auf die weiter unten näher eingegangen werden soll. An dieser Stelle sei unterstellt, daß der Datensatz eines solchen Profilverlaufs der radialen Stärke s des Kolbenrings 21' über der Umfangsrichtung mit der zu fordernden Genauigkeit vorliegt.
Durch Differenzbildung des Profilverlaufs der radialen Stärke s des Kolbenringes 21' über dem Umfang des gespannten Kolbenrings 21' zum einen und des Profilverlaufs der Innenfläche 24 des Kolbenringes 21' über der Umfangsrichtung 42 der unrunden Innenfläche 34' zum anderen wird schließlich der umfangsmäßige Profilverlauf 71 etwaiger, radialer Spalte 43 zwischen der Lauffläche 23 des Kolbenrings 21' und der unrunden Innenfläche 34' der Testbüchse 31 ermittelt. In 8 sind mehrere derartige Profilverläufe des Lichtspaltes für ein und denselben Kolbenring bei unterschiedlicher Umfangslage des Kolbenrings innerhalb der Testbüchse dargestellt.
Der Flächeninhalt unter dem umfangsmäßigen Profilverlauf 71 der Spalte 43 wird integriert und die gesamte lichte Quer schnittsfläche F_S der Spalte 43 ermittelt und daraus das Formfüllungsvermögen FV nach der Beziehung FV = 1 – F_S/F_R errechnet.
Die erfindungsgemäß ermittelte Beurteilungskennzahl Formfüllungsvermögen FV drückt sinnflällig und analog die Güte aus, mit der ein individuelles Exemplar eines Kolbenrings die unrunde Innenfläche 34' der Testbüchse 31 mehr oder weniger spaltfrei auszufüllen vermag. Ein radial extrem steifer Kolbenring, der sich wie eine Scheibe verhält, vermag sich überhaupt nicht der unrunden Innenfläche anzupassen. Die mit einem solchen – theoretisch angenommenen – Kolbenring ermittelbare Spaltfläche F_S wäre genauso groß wie die Referenzfläche F_R selber; daraus würde sich nach der obigen Gleichung für das Formfüllungsvermögen FV der Wert null ergeben, was für einen extrem harten Ring sinnvoll ist. Ein anderer, sich radial extrem nachgiebig verhaltender Kolbenring könnte die Unrundheiten der Innenfläche 34' der Testbüchse 31 völlig spaltfrei ausfüllen, so daß keinerlei Spaltfläche F_S ermittelbar wäre und mithin das Verhältnis F_S/F_R = null ist. In diesem Fall ist der Wert für das Formfüllungsvermögen FV = 1, was bedeutet, daß dieser Ring die Unrundheiten optimal auszufüllen vermag. Die an realen Kolbenringen ermittelbaren Beurteilungskennzahlen für das Formfüllungsvermögen FV liegen meist im Bereich 0,65 bis 0,95. Das Ideal 1,0 kann also schon recht gut angenähert werden.
Messung der radialen Stärke des Kolbenrings
Es wurde bereits erwähnt, daß der umfangsmäßige Profilverlauf der radialen Stärke s eines bestimmten Kolbenrings auf unterschiedliche Weise ermittelt werden kann. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Kolbenring 21 in entspanntem Zustand annä hernd konzentrisch zur vertikalen Drehachse und lagestabil, z.B. mittels eines Doppelklebebandes, auf der Werkstückaufnahme 2 des Formprüfgerätes 1 aufzunehmen und seine Innenfläche 24 sowie seine Lauffläche 23 an mehreren am Umfang verteilt liegenden Stellen anzutasten. Dieses Antasten kann mittels eines Mikrotasters mit nur einem einzelnen Taster in zwei verschiedenen Durchgängen erfolgen, wobei der Profilverlauf der Innenfläche und der der Lauffläche und durch Differenzbildung beider der Profilverlauf der radialen Stärke s des Kolbenrings gebildet wird. Nachdem das so gewonnene Profil in der gestreckten oder abwickelten Lage bzw. Ausbildung verwendet wird, spielt es keine Rolle, ob das Profil der radialen Stärke s des Kolbenrings sich nur über einen Winkelraum von z.B. 350° des entspannten Kolbenrings 21 oder über 360° des gespannten Kolbenrings 21' erstreckt; die absolute Länge des Profils ist in beiden Fällen gleich lang.
Durch Verwendung einer Sonderbauform eines Mikrotasters mit zwei Tastern kann unmittelbar ein radiales Differenz- oder Abstandsmaß abgegriffen werden, sofern der Doppeltaster zuvor auf das genaue Nennmaß dieser Differenz bzw. des Abstandes kalibriert worden ist. Wenn beispielsweise die radial Stärke s des Kolbenrings 3,1 mm beträgt, so würde der Doppeltaster unter Verwendung eines kombinierten Maß-Normals von 3,100 mm zunächst kalibriert werden. Jede ertastete Abweichung von diesem Kalibriermaß würde dann entsprechend größer oder kleiner angezeigt werden. Mittels eines Solchen Doppeltasters könnte das Profil der radialen Stärke s des Kolbenrings in nur einem Durchgang ohne Differenzbildung ermittelt werden.
Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, daß die Verwendung eines Doppeltasters auch für die Ermittlung der anderen weiter oben erwähnten Profilverläufe sinnvoll ist, so daß nur ein einziger Meßdurchgang auf dem Formprüfgerät erforderlich und eine Differenzbildung entbehrlich wäre. Derartige Doppeltaster oder Differenztaster sind beispielsweise aus den Zahnrad-Teilungsmeßmaschinen bekannt, bei denen die beiden Taster des Doppeltasters in die Zahnlücke zwische zwei benachbarten Zähnen eines Zahnrades eingeführt und deren Abstand ermittelt werden kann. Es handelt sich gewissermaßen um zwei einzelne Taster, die gemeinsam ein Signal entsprechend der Gesamtauslenkung der beiden einzelnen Taster liefern.
Eine weitere, hier bevorzugte Möglichkeit zur Ermittlung des umfangsmäßigen Profilverlaufs der radialen Stärke s eines bestimmten Kolbenrings besteht in einem völlig analogen Vorgehen, mit dem auch der Profilverlauf der Innenfläche 24 des Kolbenringes 21 über der Umfangsrichtung 42 der unrunden Innenfläche 34' ermittelt wurde. Zu diesem Zweck weist die bereitgestellte Testbüchse 31 außer dem Abschnitt 35 mit der leicht unrund geformten Innenfläche 34' noch einen axial daran unmittelbar behinderungs- oder barrierefrei anschließenden anderen Abschnitt 36 mit einer exakt kreiszylindrischen Innenfläche 34'' auf, deren Durchmesser ebenfalls dem Nenndurchmesser D des zu prüfenden Kolbenrings 21' im Einbauzustand entspricht.
Um den umfangsmäßigen Profilverlaufs der radialen Stärke s des Kolbenringes 21' ermitteln zu können, wird der Kolbenring 21' achssenkrecht in den Abschnitt 36 mit der kreiszylindrischen Innenfläche 34'' der Testbüchse 31 so eingelegt wird, daß er am gesamten Umfang innenseitig spaltfrei anliegt. Daraufhin werden die Innenfläche 24 des Kolbenringes 21' und die zylindrische Innenfläche 43'' des Abschnitts 36 positionsgleich an meh reren verteilt am Umfang liegenden Antaststellen angetastet. Von den Antastmaßen wird die Differenz gebildet und so der genannte Profilverlauf der radialen Stärke s des Kolbenringes 21' ermittelt.
Diskussion der Spaltprofile nach 8
Es soll nachfolgend noch auf die Schar von Profilverläufen der Spaltfläche F_S nach 8 eingegangen werden. Unten in 8 ist die unrunde Innenfläche 34' der Testbüchse 31 in abgewickelter Form mit vier Maxima 40 von Ausbauchungen 37 und vier Minima 41 und einer Höhendifferenz (Bogenhöhe h) von 20 μm dargestellt. Der einbeschreibbare Kreis 38 stellt sich hier als gerade Linie dar, der den sinusähnlichen Umfangsverlauf der unrunden Innenfläche im Bereich der Minima 41 berührt. Oberhalb der abgewickelten, unrunden Büchsen-Innenfläche sind – in umfangsmäßig richtiger Zuordnung – zehn verschiedene Profilverläufen der Spaltfläche F_S dargestellt, wobei jeweils der Kolbenringstoß 22 als Doppellinie und der Kolbenrücken als einfacher Strich eingezeichnet ist. Die Lage des ganz links liegenden Maximums und des benachbarten Minimums der ersten Ausbauchung von links sind durch strichpunktierte Linien in den Profilverläufen deutlich gemacht.
Die einzelnen Spaltflächen-Profilverläufe sind mit ein und dem selben Kolbenring und der selben Testbüchse gewonnen, wobei der Kolbenringstoß um jeweils 10° variert wurde. Die Serie von Profilverläufen macht deutlich, daß im Bereich der Maxima 40 freie Teilspalte zwischen der Kolbenringlauffläche und der unrunden Innenfläche 34' entstehen, weil der Kolbenring dem Verlauf der Ausbauchung radial nicht vollständig zu folgen vermag. Abgesehen von den im Bereich des Kolbenringstoßes 22 sich bildenden Teilspalten liegen die den Maxima 40 der Ausbauchungen zugeordneten Teilspalte alle an den gleichen Umfangsstellen, was als eine wesentliche Aussage der 8 oder Regelverhalten von Kolbenringen festgehalten werden soll.
Andererseits muß festgestellt werden, daß die Teilspalte an den Umfangsstellen der Maxima in den verschiedenen Profilverläufen bezüglich ihrer Größe zumindest bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel recht beträchtliche Unterschiede aufweisen können. Betrachtet man z.B. die bei der 0°-Marke untereinander liegenden Teilspalte und greift von diesen beispielsweise den besonders klein ausgefallenen lokalen Teilspalt aus dem untersten Profil heraus und stellt ihn dem besonders großen, lagegleichen Teilspalt aus dem 2. Profil von oben gegenüber, so muß man sagen, daß letzterer schätzungsweise mindesten fünf- bis siebenmal so groß ist, als der erstgenannte Teilspalt. Eine Ursache für die stark unterschiedliche Größe der Teilspalte, die an der gleichen, weit vom Kolbenringstoß entfernt liegenden Umfangsstelle liegen, kann derzeit noch nicht angegeben werden. Es kann nur vermutet werden, daß hierbei gewisse Eigenspannungszustände und Inhomogenitäten des Kolbenringes zur Wirkung kommen. Wenn eine lokal steifere Stelle des Kolbenrings umfangsmäßig in eine Ausbauchung gelangt, so bildet sich an dieser Umfangsstelle lokal ein großer Teilspalt aus. Wenn hingegen beim Weiterdrehen des Kolbenrings eine benachbart liegende weicher Umfangsstelle in die Ausbauchung gelangt, schließt sich der Teilspalt weitgehend. Diese Unregelmäßigkeiten kann zwar das erfindungsgemäße Verfahren auch aufdecken, dieser Beobachtung soll jedoch hier nicht weiter nachgegangen werden.
Der Kolbenringstoß stellt eine starke lokale Inhomogenität des Kolbenrings dar. Es ist daher nicht verwunderlich, daß die Umfangslage des Kolbenringstoßes 22 nicht belanglos für die Ermittlung der Spaltfläche F_S für einem bestimmten Kolbenring ist. Bei der Folge von Lichtspaltprofilen nach 8 wandert – beginnend mit dem untersten Profil nach oben aufsteigend – der Ringstoß 22 von einer Umfangsposition 10° links von einem Maximum 40 in 10°-Schritten durch eine Ausbauchung 37 hindurch und über das Minimum 41 hinweg bis zum Maximum der nächsten Ausbauchung. Tendenziell ist feststellbar, daß der Teilspalt im Bereich des Kolbenringstoßes dann besonders groß ausfällt, wenn der Kolbenringstoß umfangsmäßig in der Mitte zwischen Maximum und Minimum einer Ausbauchung liegt. Mag diese Beobachtung aus der Profilfolge nach 8 noch nicht optimal deutlich werden, so kann dies aber aus den Erfahrungen der Anmelderin bestätigt werden.
Aufgrund der Erfahrungen der Anmelderin kann gesagt werden, daß der Winkelraum, der für sinnvolle Variationenen der Umfangslage des Kolbenringstoßes 22 in Frage kommt, auf eine halbe "Periode" einer Ausbauchung 37 der unrunden Innenfläche 34', d.h. auf den Winkelraum zwischen einem Minimum 41 und einem benachbarten Maximum 40 beschränkt werden kann. Bei weiterer Variation würden sich die Meßergebnisse – abgesehen von einer statistischen Streuung – wiederholen.
Verfeinerung der Messung
Solange nicht bekannt ist, ob ein bestimmter Kolbenringtyp bei Variation der Umfangslage innerhalb der unrunden Innenfläche 34' der Testbüchse 31 ein maximale Spaltfläche F_S bildet, ist es zweckmäßig, einen Mittelwert aus mehreren Spaltfläche F_S zu bilden, die bei unterschiedlichen, innerhalb des genannten Spielraums liegenden Umfangslagen ermittelt wurden. Dieses zwar etwas aufwendigere Meßverfahren macht sich unabhängig von unbekannten Zufälligkeiten des Kolbenringtyps, liefert aber gleichwohl aussagekräftige und vergleichbare Werte des Formfüllungsvermögens FV. Die Mehrfachmessung der Spaltfläche bei unterschiedlichen umfangsmäßigen Relativlagen zwischen Kolbenring und Testbüchse empfielt sich vor allem bei neuen Mustern von Kolbenringen, wie sie vor allem in der Motorenentwicklung laufend vorkommen.
In diesem Zusammenhang wird empfohlen, daß der Profilverlauf 71 der radialen Teilspalte 43 zwischen der Lauffläche 23 des Kolbenrings 21' und der unrunden Innenfläche 34' der Testbüchse 31 für ein und denselben Kolbenring 21' dreimal bei jeweils unterschiedlicher Umfangslage des Ringstoßes 22 ermittelt und daraus jeweils die Spaltfläche F_S integriert wird. Und zwar soll die Spaltfläche F_S einmal bei Umfangslage des Ringstoßes 22 positionsgleich mit dem Maximum 40, zum anderen positionsgleich mit dem Minimum 41 einer bogenförmigen Ausbauchung 37 und schließlich bei Umfangslage des Ringstoßes 22 positionsgleich mit der Mitte zwischen dem Maximum 40 und einem benachbarten Minimum 41 einer bogenförmigen Ausbauchung 37 ermittelt werden. Selbstverständlich wird der Profilverlauf der radialen Ringstärke s des Kolbenrings 21' nur einmal ermittelt. Aus den drei ermittelten Spaltflächen F_S wird ein Mittelwert gebildet und mit diesem Spaltflächen-Mittelwert schließlich der Wert des Formfüllungsvermögens FV berechnet.
Eine andere Empfehlung gilt im Zusammenhang mit bekannten Kolbenringen, also solchen, die z.B. serienmäßig eingesetzt werden. Von solchen Kolbenringen werden im Hinblick auf eine Qua litätsüberprüfung einzelne Ringe nach einer statistischen Zufallsmethode herausgegriffen und gründlicher überprüft. Nachdem von einem solchen bekannten Kolbenringtyp eine bestimmte Umfangslage bekannt sein dürfte, bei der die Spaltfläche zwischen der Kolbenringlauffläche und der unrunden Innenfläche der Testbüchse maximal ausfällt, wird bei der Überprüfung eines individuellen Einzelexemplars eines Kolbenringes dieses Typs von vornherein diese Umfangslage für die Überprüfung des Formfüllungsvermögens FV verwendet und auch nur eine einzige Messung durchgeführt.
Die Umfangslage der größte Spaltfläche F_S für den betreffenden Kolbenringtyp muß vorab mittels einer Serie von Probemessungen mit fein abgestuft veränderten Umfangslage des Ringstoßes 22 ermittelt werden. Dabei wird die Umfangslage des Ringstoßes zwischen dem Maximum 40 und einem benachbarten Minimum 41 einer Ausbauchung 37 als extrem liegenden Umfangslagen verändert. Zweckmäßigerweise werden mindestens zehn einzelne Messungen bei jeweils unterschiedlicher Umfangslage durchgeführt, die zwischen den beiden genannten extremen Umfangslagen äquidistant verändert sind. Um sicher zu sein, wird die vorab durchzuführenden Serie von Probemessungen zur Ermittlung der Umfangslage der größte Spaltfläche F_S mit verschiedenen Einzelexemplaren des gleichen Kolbenringtyps durchgeführt und aus den gefundenen, untereinander streuenden Umfangslagen der größter Spaltfläche F_S ein Mittelwert gebildet.
Um auch bei Einzelexemplaren eines neuen Kolbenringtyps die zeitraubende Mehrfachmessung der Spaltfläche bei unterschiedlicher Umfangslage des Kolbenringstoßes in der Testbüchse vermeiden zu können, kann versucht werden, über einen Ansatz der umfangsmäßigen Radialdruckverteilung Hinweise über die Um fangslage der maximalen Spaltfläche zu bekommen. In dem eingangs gewürdigten Beitrag aus der Zeitschrift MTZ Motortechnische Zeitschrift "Bestimmung der Radialdruckverteilung an Kolbenringen" wird – wie geschildert – ein iteratives Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Radialdruckverteilung geschildert, welches von der Form des entspannten Kolbenrings 21 ausgeht, die ja bei den anzustellenden Messungen entweder ohnehin ermittelt wurde oder unschwer auf dem Formprüfgerät ermittelt werden kann. In dem genannten Beitrag werden drei Basistypen von umfangsmäßigen Radialdruckverteilungen unterschieden, nämlich die gleichmäßige, die birnenförmige und die apfelförmige Radialdruckverteilung. Die beiden zuletzt genannten Radialdruckverteilungen unterscheiden sich vor allem durch den Verlauf des Radialdrucks im Bereich des Kolbenringstoßes. Bei der birnenförmigen Radialdruckverteilung steigt der Radialdruck zu den Stoßenden mehr oder weniger symmetrisch an und erreicht beim Kolbenringstoß ein Maximum. Bei der apfelförmigen Radialdruckverteilung ist es umgekehrt; dort fällt der Radialdruck zum Kolbenringstoß hin annähernd symmetrisch ab und weist ein Minimum auf. Durch die Berechnung nach dem genannten Zeitschriften-Artikel läßt sich in jedem Fall der Druckverteilungstyp: gleichmäßig, birnenförmig oder apfelförmig ermitteln.
Nach den bisherigen Erfahrungen der Anmelderin können in diesem Zusammenhang zwei Fallgestaltungen unterschieden werden, nämlich zum einen der Fall relativ geringer Zylinderverzüge und damit dominantem Einfluß der Radialdruckverteilung. Hier vermag der Kolbenring den Zylinderverzügen weitgehend zu folgen; soweit freie Teilspalte entstehen, rühren diese zumindest teilweise aus Ungleichmäßigkeiten in der Radialdruckverteilung des Kolbenrings her. Demgegenüber gibt es den Fall relativ starker Zylinderverzüge, wo die Eigenelastizität des Kolbenrings in den Hintergrund tritt.
In der erstgenannten Fallgruppe mit relativ geringem Zylinderverzug und dominantem Einfluß der Radialdruckverteilung wandern die Teilspalte bei sich ändernden Stoßlage innerhalb der Zylinderlaufbüchse mit dem Kolbenring mit. Bei Kolbenringen mit "apfelförmiger" Druckverteilung (Druckminimum am Stoß) ist die Umfangslage des Kolbenrings, bei der der Stoß umfangsgleich mit einem Maximum 40 der Ausbauchung 37 der unrunden Innenfläche der Testbüchse liegt, diejenige, bei der eine maximale Spaltfläche zu erwarten ist. Leider läßt sich eine entsprechende Prognose nicht für alle Kolbenringe mit "birnenförmiger" Druckverteilung (Druckmaximum am Stoß) geben. Jedoch läßt sich für Kolbenringen mit "birnenförmiger" Druckverteilung sagen, daß zumindest bei einigen Kolbenringen dieses Typs die Umfangslage des Kolbenrings, bei der der Stoß umfangsgleich mit einem Minimum 41 der Ausbauchung 37 liegt, diejenige ist, bei der eine maximale Spaltfläche erwartet werden darf.
Bei der oben an zweiter Stelle genannten Fallgruppe mit relativ starkem Zylinderverzug bleiben die Teilspalte beim Weiterdrehen des Kolbenrings innerhalb der Testbüchse 31 umfangsmäßig ortsfest stehen. Maximale Spaltflächen entstehen innerhalb dieser Fallgruppe am häufigsten, wenn der Kolbenringstoß 22 umfangsmäßig in der Mitte zwischen einem Maximum 40 und einem Minimum 41 einer Ausbauchung 37 liegt.
Eine abgesicherte Gesamtregel zur Voraussage der Winkellage mit der größten Spaltfläche kann erst nach weiteren Untersuchungen gefunden werden. Die Kenntnis der Winkellage mit der größten Spaltfläche bringt den Vorteil einer Zeitersparnis mit sich, weil man sich dann auf einen Meßvorgang beschränken kann.

Claims

Verfahren zum qualitativen und reproduzierbaren Ermitteln der eigenelastischen Fähigkeit eines individuellen Exemplars eines Kolbenringes (21, 21'), eine unrund verzogene Form einer Zylinderlaufbüchse (14) einer Kolbenmaschine mehr oder weniger konturtreu auszufüllen – im folgenden "Formfüllungsvermögen" (FV) genannt –, mit folgenden Verfahrensschritten: a) es wird eine in ihrer Form langzeit-stabile Testbüchse (31) als wesentliches Verfahrenshilfsmittel bereitgestellt und lagesicher sowie konzentrisch zur Prüflingsdrehachse (3) in einem Formprüfgerät (1) aufgenommen, welche Testbüchse (31) an ihrer Innenfläche (34) zumindest auf einem Teilbereich ihrer Längserstreckung einen Abschnitt (35) aufweist, der in seinem lichten Durchmesser im wesentlichen dem Nenndurchmesser (D) des zu prüfenden Kolbenrings (21') im Einbauzustand entspricht, dessen Innenfläche aber leicht unrund ausgebildet ist und mehrere untereinander gleich ausgebildete bogenförmige Ausbauchungen (37) aufweist, die gleichmäßig über den Zylinderumfang (Umfangsrichtung 42) verteilt sind, sich jeweils über einen der Anzahl der Ausbauchungen (37) entsprechenden Bruchteil eines Vollkreises erstrecken und jeweils untereinander gleichgroße Bogenhöhen (h) zwischen 15 und 25 µm an der jeweils höchsten Stelle (Maximum 40) gegenüber einem einbeschreibbaren, exakten Kreis (38) aufweisen, wobei die zwischen dem einbeschreibbaren Kreis (38) und den Ausbauchungen (37) eingeschlossene Querschnittsfläche (39) in ihrer Gesamtgröße als Referenzfläche (F_R) bekannt ist, b) der Kolbenring (21, 21') wird als Prüfling achssenkrecht in den unrunden Abschnitt (35) der Testbüchse (31) eingelegt, woraufhin durch positionsgleiches Antasten der Innenfläche (24) des Kolbenringes (21') und der unrunden Innenfläche (34') der Testbüchse (31) an mehreren verteilt am Umfang liegenden Antaststellen mittels Mikrotaster (7) des Formprüfgerätes (1) sowie durch Differenzbildung der Antastmaße der Profilverlauf der Innenfläche (24) des Kolbenringes (21) über dem Umfang (Umfangsrichtung 42) der unrunden Innenfläche (34') ermittelt wird, c) von dem Kolbenring (21') wird ferner durch Antasten mehrerer verteilt am Umfang liegenden Antaststellen der Profilverlauf der radialen Stärke (s) des Kolbenringes (21') über dem Umfang (Umfangsrichtung 42) des Kolbenrings (21') ermittelt, d) durch Differenzbildung des Profilverlaufs der radialen Stärke (s) des Kolbenringes (21') über dem Umfang des gespannten Kolbenrings (21') zum einen und des Profilverlaufs der Innenfläche (24) des Kolbenringes (21') über dem Umfang (Umfangsrichtung 42) der unrunden Innenfläche (34') zum anderen wird der umfangsmäßige Profilverlauf (71) etwaiger, radialer Spalte (43) zwischen der Lauffläche (23) des Kolbenrings (21') und der unrunden Innenfläche (34') der Testbüchse (31) ermittelt, e) aus dem umfangsmäßigen Profilverlauf (71) der Spalte (43) wird durch Integration der Flächeninhalt (F_S) des lichten Querschnitts der Spalte (43) ermittelt und daraus das Formfüllungsvermögen (FV) nach der Beziehung FV = 1 – F_S/F_R errechnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß Verfahrensschritt a) bereitgestellte Testbüchse (31) außer dem Abschnitt (35) mit der leicht unrund geformten Innenfläche (34') noch einen axial daran unmittelbar behinderungs- oder barrierefrei anschließenden anderen Abschnitt (36) mit einer exakt kreiszylindrischen Innenfläche (34'') aufweist, dessen Durchmesser ebenfalls dem Nenndurchmesser (D) des zu prüfenden Kolbenrings (21') im Einbauzustand entspricht, und daß zum Ermitteln des umfangsmäßigen Profilverlaufs der radialen Stärke (s) des Kolbenringes (21') gemäß Verfahrensschritt c) der Kolbenring (21') ferner achssenkrecht in den Abschnitt (36) mit der zylindrischen Innenfläche (34'') der Testbüchse (31) so eingelegt wird, daß er am gesamten Umfang innenseitig spaltfrei anliegt, daß daraufhin die Innenfläche (24) des Kolbenringes (21') und die zylindrische Innenfläche (43') des Abschnitts (36) positionsgleich an mehreren verteilt am Umfang liegenden Antaststellen angetastet werden und daß von den Antastmaßen die Differenz gebildet und so der genannte Profilverlauf der radialen Stärke (s) des Kolbenringes (21') ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antastvorgänge bei der Ermittlung der Profilverläufe mittels Differenztaster durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilverläufe in äquidistanten Winkel-Schritten ermittelt werden, wobei ein Winkel-Schritt im Bereich von 1° bis 5° liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Oberflächenantastung Taster mit einem Krümmungsradius der Tastspitze weit oberhalb der Oberflächenrauhigkeit der jeweils anzutastenden Oberfläche (34', 34'', 24) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilverlauf (71) der radialen Spalte (43) zwischen der Lauffläche (23) des Kolbenrings (21') und der unrunden Innen fläche (34') der Testbüchse (31) für ein und denselben Kolbenring (21') dreimal bei jeweils unterschiedlicher Umfangslage des Ringstoßes (22) ermittelt und daraus jeweils die Spaltfläche (F_S) integriert wird, und zwar einmal bei Umfangslage des Ringstoßes (22) positionsgleich mit dem Maximum (40), zum anderen positionsgleich mit dem Minimum (41) einer bogenförmigen Ausbauchung (37) und schließlich bei Umfangslage des Ringstoßes (22) positionsgleich mit der Mitte zwischen dem Maximum (40) und einem benachbarten Minimum (41) einer bogenförmigen Ausbauchung (37), wobei der Verfahrensschritt c) (Ermittlung des umfangsmäßigen Profilverlauf der radialen Ringstärke (s) des Kolbenrings (21')) nur einmal durchgeführt wird, und daß aus den drei ermittelten Spaltflächen (F_S) ein Mittelwert gebildet und mit diesem Spaltflächen-Mittelwert der Wert des Formfüllungsvermögens (FV) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilverlauf (71) der radialen Spalte (43) zwischen der Lauffläche (23) des Kolbenrings (21') und der unrunden Innenfläche (34') der Testbüchse (31) für ein und denselben Kolbenring (21') nur einmal, und zwar bei derjenigen Umfangslage des Ringstoßes (22) in Relation zu einer Ausbauchung (37) der unrunden Innenfläche (34') der Testbüchse (31) ermittelt wird, bei der sich für den betreffenden Kolbenringtyp die größte Spaltfläche (F_S) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslage der größten Spaltfläche (F_S) für den betreffenden Kolbenringtyp mittels einer vorab durchzuführenden Serie von Probemessungen mit fein abgestuft veränderten Umfangslage des Ringstoßes (22) ermittelt wird, wobei die Umfangslage zwischen dem Maximum (40) und einem benachbarten Minimum (41) einer Ausbauchung (37) als extrem liegenden Umfangslagen verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zehn einzelne Messungen bei jeweils unterschiedlichen, zwischen den beiden genannten extremen Umfangslagen liegenden Umfangslagen des Kolbenringstoßes (22) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Messungen die Umfangslage des Kolbenringstoßes (22) zwischen den beiden genannten extremen Umfangslagen äquidistant verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorab durchzuführenden Serie von Probemessungen zur Ermittlung der Umfangslage der größte Spaltfläche (F_S) mit verschiedenen Einzelexemplaren des gleichen Kolbenringtyps durchgeführt und aus den gefundenen, untereinander streuenden Umfangslagen größter Spaltfläche (F_S) ein Mittelwert gebildet wird.
In der Form langzeit-stabile Testbüchse zur Verwendung in einem Verfahren zum qualitativen und reproduzierbaren Ermitteln des Formfüllungsvermögens eines Kolbenringes, dadurch gekennzeichnet, daß die Testbüchse (31) an ihrer Innenfläche (34) zwei unterschiedlich geformte Abschnitte (35, 36) aufweist, nämlich einen Abschnitt (36) mit einer exakt kreiszylindrischen Innenfläche (34''), deren Durchmesser dem Nenndurchmesser (D) des zu prüfenden Kolbenrings (21') im Einbauzustand entspricht, und einen axial daran behinderungs- oder barrierefrei anschließenden anderen Abschnitt (35) mit einer im Durchmesser im wesentlichen gleichgroßen Innenfläche (34'), die leicht unrund ausgebildet ist und mehrere untereinander gleich ausgebildete, bogenförmige Ausbauchungen (37) aufweist, die gleichmäßig über den Zylinderumfang (Umfangsrichtung 42) verteilt sind, sich jeweils über einen der Anzahl der Ausbauchungen (37) entspre chenden Bruchteil eines Vollkreises erstrecken und untereinander gleichstark bei einer Bogenhöhe (h) zwischen 15 und 25 µm an den jeweils höchsten Stellen (Maximum 40) gegenüber einem einbeschreibbaren, exakten Kreis (38) ausgebaucht sind, wobei die zwischen dem einbeschreibbaren Kreis (38) und den Ausbauchungen (37) eingeschlossene Querschnittsfläche (39) in ihrer Gesamtgröße als Referenzfläche (F_R) bekannt ist.
Testbüchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Stahl bestehende Testbüchse (31) an allen Seiten (32, 33, 34) form- und maßgenau feinbearbeitet ist.
Testbüchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenhöhen (h) der Maxima (40) und die Radiallage der Minima (41) der verschiedenen Ausbauchungen (37) der Innenfläche (34') des unrunden Abschnittes (35) der Testbüchse (31) gegenüber einem jeweiligen Mittelwert der Bogenhöhen (h) der Maxima (40) bzw. der Radiallage der Minima (41) maximal um etwa ±1 µm streuen.
Testbüchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in Winkelgraden gemessenen Umfangsabstände benachbarter Maxima (40) der verschiedenen Ausbauchungen (37) der Innenfläche (34') des unrunden Abschnittes (35) der Testbüchse (31) und die Umfangsabstände benachbarter Minima (41) gegenüber einem jeweiligen Mittelwert der Umfangsabstände maximal um etwa ±2° streuen.
Testbüchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (34'') des zylindrischen Abschnittes (36) der Testbüchse (31) einen Rundheitsfehler von maximal etwa ±1 µm aufweist.
Testbüchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der beiden untereinander etwa gleichlangen Abschnitte (35, 36) jeweils mindestens dem Fünffachen der axialen Kolbenringstärke entspricht.
Verfahren zum Herstellen einer Testbüchse für die Verwendung in einem Verfahren zum Ermitteln des Formfüllungsvermögens eines Kolbenringes, welche Testbüchse an ihrer Innenfläche zwei unterschiedlich geformte Abschnitte aufweist, nämlich einen Abschnitt mit einer exakt kreiszylindrischen Innenfläche und einen axial daran behinderungs- oder barrierefrei anschließenden Abschnitt, deren Innenfläche im Durchmesser im wesentlichen gleichgroß, aber leicht unrund ausgebildet ist, wobei die Innenfläche drei- oder vierfach – gleichmäßig über den Zylinderumfang verteilt – bogenförmig um etwa 15 bis 25 µm an den jeweils höchsten Stellen gegenüber einem einbeschreibbaren Kreis ausgebaucht ist, mit den folgenden Verfahrensschritten a) bis e), wobei die Reihenfolge der Verfahrensschritte b) bis d) als gemeinsamer Gruppe einerseits und Verfahrensschritt e) andererseits gegeneinander vertauschbar sind: a) in einem ersten Bearbeitungsschritt wird ein Rohling (31') der Testbüchse (31) mit achssenkrechten und planen Stirnflächen (32) und mit zylindrisch bearbeiteten, koaxialen Außen- (33) und Innenfläche (34) hergestellt, wobei an der Innenfläche (34) ein Bearbeitungsaufmaß gegenüber dem Fertigmaß für einen weiteren Bearbeitungsvorgang stehen gelassen wird, b) der soweit fertiggestellte Rohling (31') der Testbüchse (31) wird lagedefiniert mit dem unrund zu gestaltenden Abschnitt (35) in einen Verformungsdruckring (52) so eingesetzt, daß ein Teil des Testbüchsenrohlings (31') axial aus dem Verformungsdruckring (52) herausragt, so daß der Testbüchsenrohling (31') mit diesem Ende in ein Spannfutter (59) einer Drehbank oder einer Innen-Rundschleifmaschine (57) aufgenommen werden kann, c) über radial im Verformungsdruckring (52) entsprechend der Anzahl und Umfangslage der gewünschten Ausbauchungen (37) angeordneter, in dem Verformungsdruckring (52) verschraubbarer, auf die Wandung des Testbüchsenrohlings (31') einwirkender Druckschrauben (53) und Druckstücke (54) wird die Wandung des Testbüchsenrohlings (31') elastisch um das gewünschte Maß (h) der Ausbauchungen (37) radial nach innen eingedrückt, d) der so verspannte Testbüchsenrohling (31') wird in einer Drehbank oder einer Innen-Rundschleifmaschine (57) auf etwa der halben axialen Länge des Testbüchsenrohlings (31') unter Abtrag des Bearbeitungsaufmaßes innenseitig rund bearbeitet, e) der aus dem Verformungsdruckring (52) entnommene, entspannte Testbüchsenrohling (31') wird – beschränkt auf den exakt zylindrisch zu gestaltenden Teil (Abschnitt 36) der axialen Länge des Testbüchsenrohlings (31') – unter dortigem Abtrag des Bearbeitungsaufmaßes innenseitig auf den Nenndurchmesser (D) des Kolbenrings (21') rund bearbeitet.