DE68903384T2 - Kolbenring. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Kolbenringe und im besonderen, wenn auch nicht ausschließlich, Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kolbenringen gemäß der Erfindung.
• Kolbenringe mit einer gewölbten Form sind bekannt und z.B. in der EP-A-0165417 offenbart. Gewölbte Ringe werden hauptsächlich in den Kompressionspositionen an der Oberseite und/oder an den zweiten Ringnuten verwendet. Der Zweck der gewölbten Form besteht darin, eine Linienabdichtung zwischen dem Kolbenring, dessen Nut und der mit diesen zusammenwirkenden Zylinderwand zu erreichen, um damit einen verbesserten Wirkungsgrad zu erzielen.
• Bisher wurden derartige Ringe mit einem nicht-symmetrischen Querschnitt um die Zentralebene gefertigt. Typische Querschnittsformen enthalten eine Abschrägung, eine Stufe oder einen Falz an einer inneren Umfangskante. Das Einschließen des Rings in den Zylinder verursacht beim Einsetzen in die Zylinderbohrung eine Verdrehung oder eine Wölbung in dem Kolbenring.
• Bei diesem Verfahren zum Herstellen einer gewölbten Form treten Probeme auf. Erstens variiert der Grad der Wölbung um den Ring von einem Maximum bei 180º des Ringspalts bis zu einem Minimum an den freien Enden. Zweitens ist der Kolbenring nicht eben, mit einer Form der Erhebung von im wesentlichen einer Windung eines spiralförmigen Schraubgewindes, was für die seitliche Außenflächenabdichtung nur einen geringen Wirkungsgrad ergibt. Die variable Verdrallung und die nichtebene Form können die Verwendung des Rings unter dynamischen Bedingungen unzuverlässig werden lassen. Z.B. kann die Abdichtung in einer unvorhersehbaren Weise unter Trägheitslast durchbrechen, wenn der Kolbenring die Unterseite der Ringnut verläßt und sich während der Kolbenbewegungsumkehr zu der Oberseite bewegt, was zu einer Zunahme von Gasübertritt und Ölverbrauch führt. Darüberhinaus ist die radiale Druckverteilung, die durch den Ring auf die Zylinderwandung ausgeübt wird, ungleichmäßig.
• Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Ringen nach dem Stand der Technik besteht darin, daß es beispielsweise aufgrund von unvorhersehbaren Störungen nicht praktikabel ist, thermo-chemische Behandlungen zur Verbesserung der Ring-Verschleißeigenschaften vorzunehmen.
• Ein weiterer Nachteil bei bekannten Ringen liegt darin, daß die Stufe oder Abschrägung das tote Volumen in der Ringnut vergrößert. Eine derartige Vergrößerung ist wegen schädlicher Emissionen nachteilig und von allen Fahrzeug- und Motorenherstellern wird versucht, dies zu reduzieren.
• Es wurde nun herausgefunden, daß gewölbte ebene Ringe gefertigt werden können, die eine Symmetrieachse innerhalb des Rings in einer Ebene aufweisen und einen kontrollierten Grad der Verdrallung oder Wölbung um ihre gesamte periphere Länge besitzen, was die anderen Nachteile der obigen Ringe nach dem Stand der Technik vermeidet.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Kolbenring für einen Kolben den Grundring zur Aufnahme in einer damit zusammenwirkenden Kolbenringnut auf, wobei der Kolbenring aus einem Stahl besteht, der bei Betriebstemperatur des Kolbenrings entspannungsbeständig ist, im Grundriß ein nicht-kreisförmiges Profil aufweist und mit einem verdrallten oder gewölbten Querschnittsverlauf versehen ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring längs des Kolbenringumfangs einen unterschiedlichen Verdrallungsgrad aufweist, der an jedem Punkt des Ringumfangs in Übereinstimmung mit dem Krümmungsradius des Rings an diesem Punkt und derart vorgegeben ist, daß beim Einsatz eine gewünschte Verteilung des Drucks vom Ring auf eine mit ihm zusammenwirkende Zylinderwand auftritt.
• Der Grad der Verdrallung entlang der Umfangslänge des Rings kann z.B. einen maximalen Grad von Verdrallung an den freien Ringenden aufweisen, wo sich bei konventionellen Ringen die Abdichtung als erstes verschlechtert.
• Entsprechend einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenrings kann der Kolbenring, wenn er in einen damit zusammenwirkenden Zylinder eingesetzt ist, im wesentlichen eine einheitliche Druckverteilung auf die Zylinderwand ausüben. Die freie Gestalt des nicht zusammengepreßten Kolbenrings kann jedoch auch für irgendein gewünschtes Druckverteilungsmuster an der Zylinderwand ausgelegt werden.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen von Kolbenringen deren jeder wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, den Verfahrensschritt eines Eintreibens eines Metallstreifens in Führungs- und in Biegeeinrichtungen und dadurch ein kontinuierliches Biegen des Streifens in aufeinanderfolgende Ringe auf, von denen jeder den vorgegebenen nicht-kreisförmigen Grundriß aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß auch ein Schritt eines kontinuierlichen Aufbringens einer Verdrallung auf den Streifen in einer gesteuerten Weise vorgesehen ist, so daß jeder Ring entlang des Ringumfangs den gewünschten ungleichförmigen Verdrallungsgrad aufweist.
• Die gewünschte Gestalt des Grundrisses und die Verdrallung in dem Kolbenring können nacheinander erzeugt und in derselben oder in einer anderen Herstellungsmaschine durchgeführt werden.
• Formvorgänge können auf numerisch gesteuerten Drahtbiegegeräten den in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0157537 oder im britischen Patent Nr. 2220600 beschriebenen Typs durchgeführt werden, wobei die Geräte für die Erzeugung einer Verdrallung in dem Draht geeignet modifiziert sind. Es können auch bekannte kurvenscheibengesteuerte Drahtbiegegeräte eingesetzt werden, die in geeigneter Weise zum Aufbringen einer gesteuerten Verdrallung in den Draht modifiziert wurden.
• Änderungen an numerisch oder kurvenscheibengesteuerten Biegegeräten können die Verwendung von Einrichtungen zum Aufbringen einer Verdrallung auf den Draht umfassen, die synchron mit dem Ringformvorgang gesteuert werden. Derartige Drahtverdralleinrichtungen können einen genuteten Arm zur Aufnahme eines Drahtstreifens enthalten, wobei der Arm durch einen Computer exzentrisch gesteuert wird oder ein Paar von gegeneinander axial verschiebbaren, genuteten, unter Computersteuerung betätigten Teilen aufweist.
• In einer Ausführungsform eines Gerätes zum Herstellen der Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine Vorrichtung zum Ausrichten und Eintreiben eines Metallstreifens in eine Verdralleinrichtung, die den Metallstreifen in einer gesteuerten Weise um seine Achse relativ zu einem eingeführten Stangenmaterial-Metallstreifen verdreht, eine Biegeeinrichtung, die den verdrallten Streifen in einem vorbestimmten Krümmungsradius verbiegt, und Einrichtungen, die den Krümmungsradius des Streifens verändern, vorgesehen.
• Die erforderliche Gestalt des Grundrisses und die Verdrallung können nacheinander erzeugt werden.
• Ein zusätzlicher Seitenflächen-Schleifvorgang kann anschließend oder vorher durchgeführt werden, um die gewünschte Verdrallung auszubilden.
• Der Seitenflächen-Schleifvorgang kann jedoch ausgelassen werden. Ein derartiger Schleifvorgang kann klein sein und darauf begrenzt werden, die scharfen Kanten an der Ober- und Unterseite des gewölbten Ringes zu entfernen.
• Die Verwölbung des Rings kann positiv oder negativ sein, d.h. der Ring kann von oben betrachtet konkav oder konvex aussehen.
• Der Verwölbungsgrad kann in einem Bereich von 0,025 bis 0,75 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,125 mm, liegen.
• Die äußere Reibseite, die mit der zugehörigen Zylinderwandung zusammenwirkt, kann in bekannter Weise gewölbt, zugespitzt oder beschichtet sein.
• Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nunmehr Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:
• Fig. 1 einen Detailschnitt durch einen Kolben im Aufriß, der einen Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung in der oberen Ringnutposition aufweist;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Kolbenrings gemäß Fig. 1 mit einer positiven Wölbung;
• Fig. 3 eine Modifikation des Kolbenrings gemäß den Figuren 1 und 2;
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Kolbenrings mit einer negativen Wölbung;
• Fig. 5 einen Detailschnitt im Aufriß durch einen Kolben mit einem darin enthaltenen Kolbenring gemäß Fig. 4;
• Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen von Kolbenringen gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 7 eine Ansicht der Verdralleinrichtung der Vorrichtung nach Fig. 6 im Aufriß;
• Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine alternative Vorrichtung zum Fertigen von Kolbenringen gemäß der Erfindung;
• Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie AA in Fig. 8;
• Fig. 10 ein Flußdiagramm eines Steuersystems für die in den Fig. 6 bis 9 gezeigte Vorrichtung;
• Fig. 11 ein Blockdiagramm der Streifen-Spurführungsarbeitstask des Steuersystems aus Fig. 10;
• Fig. 12 ein Blockdiagramm der Funktion der Streifengeschwindigkeits-Servoeinrichtung des Steuersystems aus Fig. 10;
• Fig. 13 ein Blockdiagramm der Funktion der Biegepositions-Servoeinrichtung des Steuersystems aus Fig. 10, und
• Fig. 14 ein Diagramm des Kolbenring-Gasübertritts in Abhängigkeit vom Drehmoment bei einem 1,6 L-Motor, der mit verschiedenen Typen von oberen Kolbenringen getestet wurde.
• Im folgenden wird nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in denen dieselben Merkmale durch gemeinsame Bezugszeichen bezeichnet sind.
• Ein Kolbenring 10 ist in der oberen Kolbenringnut 11 eines Kolbens 12 gezeigt. Der Kolbenring befindet sich in Ruhelage in seiner Gleichgewichtsposition . Es wird darauf hingewiesen, daß der Grad der Wölbung und die Toleranzen stark übertrieben dargestellt sind. Die obere äußere Kante 13 der Ringnut 11 stößt an der Oberseite 14 des Kolbenrings an, während die untere innere Umfangskante 15 des Rings auf der Unterseite 16 der Nut aufliegt.
• Die untere äußere Umfangskante 17 des Rings befindet sich in Kontakt mit der mit ihr zusammenwirkenden Zylinderwand 18.
• Im Betrieb und unter dem Einfluß des Verbrennungsgasdruckes im Zylinder wird der Ring 10 außen so abgeflacht, daß die Unterseite 20 des Rings Kontakt mit der Unterseite 16 der Nut 11 hat.
• Sobald sich der Gasdruck verringert, springt der Ring in seine in Fig. 1 gezeigte "Gleichgewichts"-Position zurück. Schließlich behält unter Trägheitskraft der Ring entweder seine "Gleichgewichts"-Position bei oder wird gegen die obere Seite der Nut 11 gedrückt. Deshalb besteht zu allen Zeitpunkten eine Gasabdichtung zwischen dem Ring 10, der Nut 11 und der Zylinderwandung 18.
• Fig. 3 zeigt einen Ring 30, der einer leichten Abschleifoperation unterzogen wurde, so daß die untere Umfangskante 31 und die obere äußere Umfangskante 32 mit einer kleinen "Abflachung" versehen sind, um sicherzustellen, daß der Ring eben ist.
• Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Kolbenring 40 mit negativer Wölbung. Die wesentlichen Funktionen und Wirkungen des Rings sind jedoch ähnlich jenen, die unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben wurden.
• Die vorbeschriebenen Ringe können aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Stahl ausgebildet sein, der seine Härte auch bei der Arbeitstemperatur des Ringes behält.
• In den Figuren 6 und 7 ist ein CNC-Gerät zum Biegen eines Metallstreifens in ein nichtkreisförmiges Profil mit kontrolliertem Verdrallungsgrad allgemein mit Ziffer 60 dargestellt. Das Gerät enthält einen servogetriebenen Motor 61 und eine Anzahl von Ausricht- und Führungsrollen 62 zum Abziehen eines Streifens 64 von einer Spule (nicht gezeigt) und zum Zuführen des Streifens in eine erste feste Führung 66, um eine Ausrichtung aufrecht zu erhalten. Der Streifen läuft von der Führung 66 in eine zweite Führung 68, die im wesentlichen um die Achse 70 des Streifens verschwenkbar ist. Die Führung 68 ist in einem zylindrischen Lager 72 drehbar gelagert und wird mittels eines Hebelarms 74 um die Achse 70 bewegt, der von einem Servomotor 75 (siehe Fig. 10) bewegt und mittels eines um eine Achse 78 oszillierbaren Exzenter 76 unter Führung eines Steuersystems (siehe spätere Figuren 10, 11, 12 und 13) angetrieben wird. Der Streifen 64 läuft von der Führung 68 in eine erste Biegeeinrichtung, die einen Drehbolzen 80 und ein festes Widerlager 82 aufweist, und in eine zweite Biegeeinrichtung, die einen computergesteuerten Servomotor 83 (siehe Fig. 10) enthält, der einen beweglichen Finger 84 betätigt der durch ein Verbindungsstück 85 (siehe Fig. 10) angetrieben wird. Eine Hochgeschwindigkeits-Abschneideeinrichtung 86 ist vorgesehen, um den so gefertigten Ring 88 von dem Streifen 64 abzutrennen. Der Arm 74 wird durch eine Feder 90, die zwischen dem Arm und einem feststehenden Teil 92 des Gerätes angeordnet ist, gegen den Exzenter gehalten.
• Die Figuren 8 und 9 zeigen eine alternative Ausführungsform, in welcher der Drall mittels eines mit einer Nut versehenen Führungs- und Drehstiftes 100, der sich axial relativ zu einer Führungsnut 102 in einem feststehenden Führungsteil 104 bewegt, auf den Streifen 64 aufgebracht wird. Der Führungs- und Drehstift 100 wird in seiner vertikalen Position durch einen Servomotor (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von Steuersignalen des Steuersystems (siehe Figuren 10, 11, 12 und 13) gesteuert. Durch Wechsel der relativen vertikalen Position der Nut 106 des Stiftes 100 zur Nut 102 der Führung 104 kann entweder ein positives oder negatives Wölben des resultierenden Rings 88 erzeugt werden.
• Eine detailliertere Beschreibung der Arbeitsweise des Steuersystems folgt nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 10.
• Wie in Fig. 10 dargestellt, weist ein Steuersystem für das oben beschriebene Gerät eine Eingangs-/Ausgangs-Interfaceeinheit 120 auf, die über einen Speicher 124 mit einem Steuerungsprozessor 122 kommuniziert. Der Steuerungsprozessor 122 ist zum Empfang von Daten aus dem Speicher 124 und zum Übermitteln von Daten an diesen eingerichtet und er kann einen Mikroprozessor des Typs 68000 enthalten, der von Motorola Inc. erhältlich ist. Die Eingangs-/Ausgangseinheit 120 arbeitet in einer mit dem Steuerungsprozessor 122 kompatiblen Weise und ist eingerichtet, um zum Speicher 124 Daten zu übermitteln und solche von diesem zu empfangen. Weiter ist die Eingangs-/Ausgangseinheit 120 dafür vorgesehen, Eingangsdaten EIN, z.B. über eine Tastatur (nicht gezeigt), von einer Bedienungsperson zu empfangen und Ausgangsdaten AUS für die Bedienungsperson bereitzuhalten, wobei die Einheit 120 beispielsweise eine visuelle Anzeigeeinheit (nicht gezeigt) ansteuert.
• Der Steuerungsprozessor 122 liefert Informationen über einen Digital-/Analogwandler (DAC) 126, um den servogetriebenen Motor 61 zum Hindurchführen des Metallstreifens 64 durch das Gerät zu steuern. Insbesondere treibt der Servomotor 61 die Zuführrollen 62 an. Die Zuführrollen 62 sind in Wirkverbindung mit einem Wandler gekoppelt, der einen Kodierer 130 aufweist, welcher Signale an den Steuerungsprozessor 122 liefert, wobei jedes derartige Signal die Streifenlänge darstellt, die die Rollen durchlaufen hat.
• Der Steuerungsprozessor 122 liefert über einen DAC 132 auch Informationen, um den Servomotor 83 zur Änderung der Position des beweglichen Fingers 84 und so den Krümmungsradius des Streifenabschnittes am beweglichen Finger 84 augenblicklich zu steuern. Insbesondere treibt der Servomotor 83 das Verbindungsstück 85, wie oben beschrieben, an. Ein geeigneter Teil des beweglichen Fingermechanismusses ist betriebsmäßig mit einem Wandler gekoppelt, der einen Kodierer 136 aufweist, welcher Signale liefert, deren jedes der augenblicklichen Position des Fingers 84 entspricht. Die für die Position des Fingers 84 repräsentative Information wird dem Steuerungsprozessor 122 mittels des Kodierers 136 zugeführt.
• Der Steuerungsprozessor 122 liefert über einen DAC 138 auch Informationen, um einen Servomotor 75 zur Änderung der Position des bewegbaren Hebelarms 74 zur Verdrallsteuerung oder des Verdrallsteuerelements 100 anzusteuern und um so die Verdrallung des Streifenabschnittes an dem bewegbaren Element augenblicklich zu steuern. Ein geeigneter Teil des bewegbaren Verdrallsteuermechanismusses ist operativ an einen Wandler angekoppelt, der einen Kodierer 140 aufweist, der Signale liefert, von denen jedes die augenblickliche Position des Arms 74 oder des Elementes 100 darstellt. Die die Position des Hebelarms 74 oder die des Elementes 100 repräsentierende Information wird dem Steuerungsprozessor 122 über den Kodierer zugeführt.
• In dem Speicher 124 sind Daten gespeichert, die das vorbestimmte nicht-kreisförmige Profil und das Verdrallprofil eines gewünschten Ringes festlegen. Diese Profildaten werden beispielsweise durch Anwendung bekannter Finite-Elementen-Analysetechniken ermittelt. Es gibt in dem Speicher diesbezüglich adressierbare Stellen, wobei an jeder dieser Stellen die geeigneten Profildaten für einen 0,1º-Bogen des Rings (oder für einen Abschitt des Rings, der sich über einen Winkel von 0,1º im Krümmungsmittelpunkt des Abschnitts erstreckt) gespeichert werden. Insbesondere gibt es an jeder der Stellen gespeicherte Profildaten für den für den entsprechenden Abschnitt des Rings erforderlichen Krümmungsradius und den Verdrallungsgrad, bezogen auf die axiale Ebene des Rings 88 und die Länge des Streifens 64, die zum Formen des Teils des Rings bis zu dem Ringabschnitt und einschließlich dieses Ringabschnittes erforderlich ist.
• Die erste Stelle speichert darin die geeigneten Profil- und Dralldaten, die dem Führungsabschnitt des Streifens 64 zur Formung des Rings entsprechen.
• Gleichfalls werden an einer ABTRENN-Stelle in dem Speicher 124, die durch den Steuerungsprozessor 122 adressierbar ist, Informationen gespeichert, die den Abschnitt des zu formenden Rings festlegen, der den geeigneten 0,1º-Bogen des Rings aufweist, und Informationen an den beweglichen Finger 84, wenn der vorher geformte Ring von dem Teil des Streifens 64 abgetrennt werden soll, der die Verdrall- und Biegeeinrichtung durchlaufen hat. Die an der ABTRENN-Stelle gespeicherte Information wird experimentell ermittelt, wenn die Vorrichtung zum Herstellen des Rings eingerichtet wird, wobei diese Information über die Bedienungstastatur in den Speicher 124 eingegeben wird.
• Wie unten ausgeführt, ermittelt der Kodierer 130 in Bezug zu jedem Ring die augenblickliche Länge des Streifens, der die Zuführungsrollen durchlaufen hat. Die entsprechende Länge des bei der Steuerung der Formgebung des Ringes verwendeten Streifens und die an jeder Profildatenstelle in dem Speicher gespeicherten Daten berücksichtigen den Abstand zwischen zwei Kodierern 130 und 136 in dem Gerät, die Abmessungen der relevanten Teile des Gerätes und die Form des Streifens, wie er zwischen den Zuführungsrollen 62 und dem beweglichen Finger 84 durchläuft. Der Steuerungsprozessor 122 ist zur Umsetzung der gespeicherten Streifenlängenwerte in Werte entsprechend den durch den Kodierer 130 ermittelbaren eingerichtet, so daß ein direkter Vergleich zwischen diesen durchgeführt werden kann.
• Der Steuerungsprozessor ist außerdem zur Umwandlung für irgendeine verlangte Änderung in der Zuführungsgeschwindigkeit des Streifens, wie unten beschrieben, eingerichtet und organisiert, um, wie durch den Steuerungsprozessor gemäß einem entsprechenden Ausgangssignal bestimmt, die geeignete Änderung des Antriebs des Servomotors 61 zu veranlassen und die erforderliche Änderung in der Zuführungsgeschwindigkeit des Streifens zu bewirken.
• Ähnlich detektiert der Kodierer 136 nicht die augenblickliche Position des beweglichen Fingers 84, sondern eine Größe in einer hierzu vorbestimmten Beziehung. Die Position des beweglichen Fingers steht in einer vorgegebenen Beziehung zu dem ausgebildeten Krümmungsradius des Streifenabschnittes. Der Steuerungsprozessor 122 ist zur Umwandlung der gespeicherten Krümmungsradiuswerte in solche Werte eingerichtet, die durch den Kodierer 136 feststellbar sind, so daß ein direkter Vergleich zwischen diesen durchgeführt werden kann, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird.
• Außerdem ist der Steuerungsprozessor gleichfalls dazu eingerichtet, irgendeine verlangte Änderung des Krümmungsradiuswerts, wie unten beschrieben, und wie durch den Steuerungsprozessor festgelegt, in ein entsprechendes Ausgangssignal umzusetzen, um eine die geeignete Betätigung des Servomotors 83 zu veranlassen und dadurch die Änderung im Krümmungsradius zu bewirken.
• Ähnlich ermittelt der Kodierer 140 nicht die augenblickliche Position des Hebelarms 74 oder des Verdrallelementes 100, sondern eine in einer dazu vorbestimmten Beziehung stehende Größe. Die Position des Arms oder des Verdrallelementes steht in einer vorbestimmten Beziehung zu dem Drall des Streifenabschnittes, der von den Führungen 66 oder 104 bereitgestellt wird. Der Steuerungsprozessor 122 ist zur Umsetzung der gespeicherten Drallwerte auf entsprechende durch den Kodierer 140 detektierbare Werte eingerichtet, so daß ein direkter Vergleich, wie unten beschrieben, zwischen diesen durchgeführt werden kann.
• Der Steuerungsprozessor ist auch zur Umwandlung irgendeiner verlangten Änderung des Drallwertes, wie unten beschrieben und wie durch den Steuerungsprozessor vorgegeben, in ein entsprechendes Ausgangssignal eingerichtet, um eine geeignete Betätigung des Servomotors 75 zu veranlassen und so die Änderung im Drall zu bewirken.
• Die Arbeitsweise des Steuerungsprozessors 122 ist teilweise in den Flußdiagrammen in den Figuren 11 bis 13 gezeigt. Beim Start des Ablaufs des Steuerungsprozessors beim Formen des Rings und wie im Flußdiagramm in Fig. 11 gezeigt, werden die Daten an der ersten Stelle des Ringprofils und die Dralldaten im Speicher 124 durch den Steuerungsprozessor adressiert.
• Mit dem Lesen des Wertes des Krümmungsradiusses und des Dralls des ersten Ringabschnittes und der an der ersten Stelle gespeicherten Ringteilstückdaten erhält der Steuerungsprozessor den erwarteten Wert Pd und Td des Ausgangssignals vom Kodierer 136, entsprechend der erforderlichen ersten Position des beweglichen Fingers 84 und des Drallelements 74 oder 100.
• Der Befehlsablauf für den Steuerungsprozessor erreicht dann eine Routine, die wiederkehrend wiederholt wird. Dieser Teil des Befehlsablaufs für den Steuerungsprozessor wird durch einen Takt gesteuert und jede Teilroutine des Ablaufs wird nach jeder Millisekunde während der Formung des erforderlichen Rings begonnen. In den ersten 250 Mikrosekunden jeder Routine wird, wie in dem Flußdiagramm in Fig. 12 gezeigt, eine Streifengeschwindigkeits-Servoschleife in dem Befehlsablauf ausgeführt.
• Im Befehlsablauf der Streifengeschwindigkeits-Servoschleife in der ersten Routine erhält der Steuerungsprozessor die augenblicklich erwartete Geschwindigkeit der Streifenzufuhr Vd aus der Einlesung des Wertes der ersten Streifenlänge, die durch die Zuführungsrollen 62 hindurchgeht und die an der ersten Stelle der Ringprofil- und Dralldaten gespeichert wurde, weil die Routine für eine Dauer von einer Millisekunde getaktet wird.
• Weil der Streifen anfänglich beispielsweise so, wie er in der Formation des abschließenden Abschnitts des durch das Gerät geformten vorhergehenden Ringes erforderlich ist, oder anders zugeführt wird, erhält der Steuerungsprozessor die momentane aktuelle Streifengeschwindigkeit Vc aus den vorhergehend gelesenen und gespeicherten beiden Ausgangssignalen des Kodierers 130 mit einem Millisekunden-Intervall zwischen diesen dadurch, daß das erste derartige Kodierausgangssignal von dem zweiten Ausgangssignal subtrahiert wird.
• Ein Streifengeschwindigkeitsfehler Verr zwischen der augenblicklich erwarteten Geschwindigkeit Vd und der momentanen aktuellen Geschwindigkeit Vc wird durch den Steuerungsprozessor bestimmt. Der Steuerungsprozessor ermittelt die entsprechende Änderung der Geschwindigkeit des Servomotors 61, um zu einer Eliminierung von Verr beizutragen. Das geeignete Ausgangssignal wird durch den Steuerungsprozessor über den DAC 126 zu dem Servomotor 61 geführt. Dies beendet den Befehlsablauf der Streifengeschwindigkeit-Servoschleife in der ersten Routine.
• Dann, gleichfalls innerhalb der oben erwähnten 250 Mikrosekundenperiode, wird eine Biegepositions-Servoschleife in der Weise, wie dies im Flußdiagramm von Fig. 13 gezeigt ist, ausgeführt. Wie oben erwähnt, wurden die augenblicklich erwarteten Werte Pd und Td der Ausgangssignale der Kodierer 136, 140 entsprechend der momentan erforderlichen Position des beweglichen Fingers 84 bzw. des Drallelementes 74 oder 100 erhalten.
• Der Steuerungsprozessor liest gleichfalls die momentanen aktuellen Ausgangssignale Pi bzw. Ti der Kodierer 136, 140,die möglicherweise die Position der Kodierer während der Formation des abschließenden Teilstücks des vorausgegangenen Ringes enthalten und die vom Steuerungsprozessor eingelesen und gespeichert werden.
• Als nächstes berechnet der Steuerungsprozessor Fehlerwerte Perr und Terr zwischen Pd und Td und Pi und Ti und ermittelt eine entsprechende Betätigung des Antriebs der Servomotoren 75, 83, um für eine Eliminierung von Perr und Terr zu sorgen. Das passende Ausgangssignal wird vom Steuerungsprozessor den Servomotoren 75, 83 über die DAC 132, 138 zugeführt. Dies beendigt den Ablauf der Biege- und Verdrallpositions-Servoschleife in der ersten Routine.
• Nach Ablauf der 250 Mikrosekundenperiode mit der erforderlichen Streifenzuführungsgeschwindigkeit, der erforderlichen Position des beweglichen Fingers 84 und der gewünschten Position des Verdrallelements 74 oder 100 sowie innerhalb der abschließenden 750 Mikrosekundenperiode der ersten getakteten Routine führt der Steuerungsprozessor eine Streifenspurführungstask aus, wie dies in dem Flußdiagramm von Fig. 11 dargestellt ist.
• Die Streifenspurführungstask weist eine Subroutine auf, die wiederholt bis zur Unterbrechung bei einem vorbestimmten Punkt in der Routine ausgeführt wird, oder bis bestimmt wird, daß die augenblickliche Streifenlänge, die durch die Zuführungsrollen 62 geführt wurde, gleich dem Streifenlängenwert ist, der an der ersten Profildatenstelle in dem Speicher gespeichert ist.
• Beim Start der Subroutine während des Formens des ersten Abschnittes des Rings liest der Steuerungsprozessor 122 das augenblickliche Ausgangssignal des Kodierers 130 ein, das die Streifenlänge darstellt, die durch die Zuführungsrollen 62 geführt wurde.
• Anschließend entscheidet der Steuerungsprozessor 122, ob die momentan so ermittelte, durch die Zuführungsrollen geführte Streifenlänge gleich dem Wert der beim Durchführen durch die Zuführungsrollen erwarteten Streifenlänge ist, der in der momentan adressierten ersten Speicherstelle gespeichert, oder ob dies nicht der Fall ist. Dies beendet die Subroutine. Wenn die Entscheidung negativ ist, wird das Ausgangssignal des Kodierers 130 nochmals gelesen und der Steuerungsprozessor muß erneut entscheiden, ob dasselbe Kriterium erfüllt ist. Die Subroutine wird wiederholt so lange durchgeführt, bis die Entscheidung bejaht wird oder bis die Wiederholung der Subroutine, wie oben ausgeführt, unterbrochen wird.
• Anschließend und gleichfalls innerhalb der ersten Routine adressiert der Steuerungsprozessor die zweite Stelle der Profil- und Verdralldaten innerhalb des Speichers 124, an dessen Stelle Profil- und Dralldaten gespeichert sind, die den zweiten 0,1º-Bogen des Rings betreffen. Die Daten, die den erforderlichen Krümmungsradius des zweiten 0,1º-Bogens des Rings betreffen, werden durch den Steuerungsprozessor eingelesen.
• Der Steuerungsprozessor entscheidet dann, ob die Information, die den Abschnitt des Rings definiert, den geeigneten 0,1º-Bogen des Rings enthält und die an der ABTRENN- Stelle innerhalb des Speichers 124 gespeichert ist, die gleiche Information ist wie die, die den zweiten Abschnitt des Rings definiert und an der zweiten Stelle der Profil- und Dralldaten innerhalb des Speichers gespeichert ist, oder ob dies nicht der Fall ist.
• Unabhängig davon, ob diese Entscheidung negativ oder bestätigend ist, entscheidet der Steuerungsprozessor in dem abschließenden Schritt der Routine, ob die zweite Stelle der Profil- und Dralldaten innerhalb des Speichers die abschließende derartige Stelle der Profil- und Dralldaten des Rings ist oder nicht.
• Wenn diese Entscheidung gleichfalls negativ ist, wird die zweite Routine unter Kontrolle des Taktes begonnen und nach Ablauf der für die erste Routine erlaubten Periode von einer Millisekunde gestartet.
• In den ersten 250 Mikrosekunden der zweiten Routine wird die Streifengeschwindigkeits- Servoschleife wieder in der Weise, wie in dem Flußdiagramm von Fig. 12 gezeigt, durchgeführt. Zu dieser Zeit wird die momentan aktuelle Streifengeschwindigkeit Vc durch Verwenden des passenden, in der ersten Routine gelesenen und gespeicherten Ausgangssignals des Kodierers 130 bestimmt.
• Anschließend wird die Verdrall- und Biegepositions-Servoschleife wieder in der im Flußdiagramm der Fig. 13 gezeigten Weise durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt sind die augenblicklichen, aktuellen Ausgangssignale Pi und Ti der Kodierer 136, 140 die passenden Ausgangssignale der Kodierer 136, 140, die durch den Steuerungsprozessor in der ersten Routine gelesen und gespeichert wurden.
• Als nächstes wird die die Streifenspurführungsabfrage enthaltende Subroutine ausgeführt, bis die augenblickliche Streifenlänge, die durch die Zuführungsrollen geführt wurde, gleich der Streifenlänge ist, die in der zweiten Profildatenstelle in dem Speicher gespeichert ist, oder bis die Subroutine, wie oben ausgeführt, unterbrochen wird.
• Die zweite Routine wird einschließlich des Lesens der Profildaten an der dritten Stelle des Speichers abgeschlossen.
• Die Routine wird wiederholt ausgeführt, während der Ring mit dem vorbestimmten nichtkreisförmigen Profil in Übereinstimmung mit den Profildaten, die in dem Speicher 124 gespeichert sind und dem vorbestimmten Drallprofil, das gleichfalls in dem Speicher 124 gespeichert ist, geformt. Dies wird solange wiederholt, bis der Steuerungsprozessor 122 entscheidet, daß die Information, die einen Abschnitt des Rings definiert und die in der AB- TRENN-Stelle innerhalb des Speichers 124 gespeichert ist, die gleiche ist wie die Information, die den Abschnitt des Rings in der Profildatenstelle innerhalb des Speichers definiert, der momentan durch den Steuerungsprozessor adressiert wird. Als Antwort auf diese bejahende Entscheidung verursacht der Steuerungsprozessor eine Betätigung des Abschneiders 86. Dieser Abtrennvorgang für den vorausgehend geformten Ring wirkt sich nicht nachteilig störend auf die Formung des zu erzeugenden Ringes aus. Unvermeidbar wird in der gleichen Routine eine weitere Entscheidung getroffen, daß nämlich die gleichzeitig adressierte Stelle der Drall- und Profildaten im Speicher 124 nicht die abschließende derartige Stelle ist.
• Sodann wird die Wiederholung der Routine fortgesetzt, jedoch wird der Abschneider 86 solange nicht wieder betätigt, bis der zu formende Ring fertiggestellt ist.
• Die Wiederholung der Routine gemäß den Figuren 11 bis 13 wird solange nicht angehalten, bis der Steuerungsprozessor 122 im abschließenden Schritt einer Routine entscheidet, daß die gleichzeitig adressierte Stelle der Drall- und Profildaten in dem Speicher 124 eine abschließende derartige Stelle ist. Die Ausbildung des Rings und der Betriebsablauf des Steuerungsprozessors für das Formen des Ringes werden nun beendigt.
• Normalerweise wiederholt der Steuerungsprozessor 122 anschließend die obigen Abläufe ohne Unterbrechung der Drahtzufuhr zu der Biegeeinrichtung, um einen nachfolgenden Ring zu formen.
• Fig. 14 zeigt in einem Diagramm die Wirkung des oberen Kompressionsringes beim Gasübertritt, aufgetragen über dem Drehmoment bei 6000 U/min für einen 1,6l benzinbetriebenen Motor. Die Kurven 1 und 2 zeigen die Wirkung von zwei verschiedenen herkömmlichen Gußeisen-Kolbenringen, die chrom- bzw. nitrokarburierte Beschichtungen aufweisen. Kurve 3 zeigt die Wirkung eines flachen Rings, der durch die Streifenbiegetechnik gefertigt wurde, während Kurve 4 die Ausführung von Ringen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die eine positive Wölbung aufweisen. Die Kurve 4 zeigt daß das Gasdurchblasen unter allen Bedingungen bei der Ausführung der Ringe gemäß der vorliegenden Erfindung dem bei bekannten Ringen überlegen ist.

Claims (10)

1. Kolbenring (10) für einen Kolben (12), mit dem Grundriß zur Aufnahme in einer zusammenwirkenden Kolbenringnut (11), wobei der Kolbenring aus einem Stahl besteht, der bei Betriebstemperatur des Kolbenrings entspannungsbeständig ist, im Grundriß ein nicht-kreisförmiges Profil aufweist und mit einem verdrallten oder gewölbten Querschnittsverlauf versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (10) längs des Kolbenringumfangs einen unterschiedlichen Verdrallungsgrad aufweist, der an jedem Punkt des Ringumfangs in Übereinstimmung mit dem Krümmungsradius des Rings an diesem Punkt und derart vorgegeben ist, daß beim Einsatz eine gewünschte Verteilung des Drucks vom Ring auf eine mit ihm zusammenwirkende Zylinderwand auftritt.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz die Druckverteilung auf die mit dem Kolbenring zusammenwirkende Zylinderwand im wesentlichen gleichförmig ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10), wie er in Anspruch 1 oder 2 angegeben ist, mit den Verfahrensschritten Eintreiben eines Metallstreifens (64) in Führungs- (66) und in Biegeeinrichtungen (80, 82) und dadurch kontinuierliches Biegen des Streifens in aufeinanderfolgende Ringe, deren jeder den vorgegebenen nicht-kreisförmigen Grundriß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Schritt eines kontinuierlichen Aufbringens einer Verdrallung auf den Streifen vorgesehen ist, so daß jeder Ring entlang des Ringumfangs den gewünschten ungleichförmigen Verdrallungsgrad aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Grundrißform und die gewünschte Verdrallung im Ring nacheinander erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenflächen-Schleifbehandlung nach oder vor Erzeugung der Verdrallung ausgeführt wird.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Kolbenringen (10), wie sie in Anspruch 1 oder 2 beschrieben werden, mit einer Zuführeinrichtung (62) zum Eintreiben eines Metallstreifens (64) in eine Führungseinrichtung (66) und in eine Biegeeinrichtung (80, 82) zum kontinuierlichen Biegen des Streifens in aufeinanderfolgende Ringe, deren jeder den vorgegebenen nicht-kreisförmigen Grundriß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auch Einrichtungen zum gesteuerten, kontinuierlichen Aufbringen einer Verdrallung auf den Streifen vorgesehen sind, so daß jeder Ring längs des Ringumfangs mit dem gewünschten ungleichmäßigen Verdrallungsgrad versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Aufbringen einer Verdrallung auf den Streifen eine verdrehbare Führung (68) aufweisen, die mit einer Aufnahmenut für den Streifen (64) versehen ist, welche im wesentlichen um die Achse (70) des aufgenommenen Streifens verdrehbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrehbare Führung (68) von einer motorgetriebenen Exzentrizität (79) über einen Hebelarm (74) gesteuert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Aufbringen einer Verdrallung auf den Streifen ein Paar relativ zueinander versetzbarer, jeweils mit einer Nut (102, 106) versehener Glieder (100, 104) aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Nuten versehenen Glieder (100, 104) auch als Teile der Führungseinrichtung (104) und der Biegeeinrichtung (82) ausgebildet sind.