BR102012033436A2

BR102012033436A2 - PISTON RING, PISTON RING MANUFACTURING PROCESS AND PISTON RING DUCTED EMBLEM

Info

Publication number: BR102012033436A2
Application number: BR102012033436A
Authority: BR
Inventors: Davi Antonio Da Silva; Luis Pedro Matias Pereira
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa; Mahle Int Gmbh
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-09-02
Also published as: DE112013006253T5; WO2014100871A1

Abstract

ANEL DE PISTÃO, PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE ANEL DE PISTÃO E ÊMBOLO DOTADO DE ANEL DE PISTÃO A presente invenção refere-se a um anel de pistão (1, 2, 3, 3.1,4) parcialmente nitretado. O anel de pistão (1, 2, 3, 3.1, 4) revelado neste relatório define pelo menos uma porção de sua face interna (ld, 2d, 3d, 3.ld, 4d) livre de uma camada nitretada (13) e toda a sua face externa (lc,2c, 3c, 3.1 c, 4c) coberta por uma camada nitretada (13). Esta configuração construtiva é configurada para distribuir com maior eficiência a pressão exercida pela face externa do anel (lc, 2c, 3c, 3.1 c, 4c) contra o cilindro. Esta distribuição mais eficiente de forças, por sua vez, atribui vantagens ao anel de pistão (1, 2, 3, 3.1, 4) tais como maior longevidade, resistência, eficiência e elasticidade. A presente invenção também descreve dois processos produtivos que podem dar forma a este anel de pistão (1, 2, 3, 3.1, 4) e um êmbolo de pistão que compreende pelo menos um anel de pistão (1, 2, 3, 3.1, 4) tal como referenciado acima.PISTON RING, PISTON RING MANUFACTURING PROCESS AND PISTON RING GIFTED EMBODY The present invention relates to a partially nitrided piston ring (1, 2, 3, 3.1,4). The piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) disclosed in this report defines at least a portion of its inner face (ld, 2d, 3d, 3.ld, 4d) free of a nitrided layer (13) and all of it. its outer face (1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c) is covered by a nitrided layer (13). This constructive configuration is configured to more efficiently distribute the pressure exerted by the outer face of the ring (1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c) against the cylinder. This more efficient distribution of forces, in turn, gives advantages to the piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) such as increased longevity, strength, efficiency and elasticity. The present invention also describes two productive processes that can form this piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) and a piston piston comprising at least one piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) as referenced above.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO, PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE ANEL DE PISTÃO E EMBOLO DOTADO DE ANEL DE PISTÃO".Report of the Invention Patent for "PISTON RING, PISTON RING MANUFACTURING PROCESS AND PISTON RING GATED PACK".

A presente invenção refere-se a um anel de pistão submetido a 5 tratamento superficial de nitretação, com ausência de camada nitretada ou parcialmente nitretado em sua face radial interna, que é configurado para atribuir maior homogeneidade do desgaste ao longo da superfície periférica do anel de pistão. A presente invenção também refere-se a um processo de fabricação deste anel.The present invention relates to a piston ring subjected to nitriding surface treatment, with no nitrided or partially nitrided layer on its inner radial face, which is configured to give greater wear homogeneity along the peripheral surface of the piston ring. piston. The present invention also relates to a manufacturing process of this ring.

Descrição do Estado da TécnicaDescription of the prior art

Regra geral, todo motor a combustão interna, seja ele ciclo Diesel, ciclo Otto, de dois ou três tempos, compreende pelo menos um "anel de pistão".As a general rule, every internal combustion engine, whether Diesel cycle, Otto cycle, two or three stroke, comprises at least one "piston ring".

O anel de pistão é a peça que cumpre a função de vedar o es15 paço entre a camisa do motor e o êmbolo do pistão, isolando a câmara de combustão dos demais componentes internos do motor. Este elemento se dispõe radialmente na base do êmbolo, impedindo que os gases da combustão escapem para fora da câmara de combustão em direção ao cárter e evitando que o óleo do motor penetre a câmara de combustão em um cami20 nho inverso. Pode haver mais de um anel de pistão circundando um único êmbolo, sendo bastante comum o uso de três anéis paralelamente dispostos na base do êmbolo.The piston ring is the part that fulfills the function of sealing the space between the engine jacket and the piston piston, isolating the combustion chamber from the other internal engine components. This element is arranged radially at the base of the piston, preventing combustion gases from escaping from the combustion chamber toward the crankcase and preventing engine oil from penetrating the combustion chamber in an inverse path. There may be more than one piston ring surrounding a single piston, and it is quite common to use three rings arranged parallel to the piston base.

De modo geral, os anéis de pistão do estado da técnica 1' compreendem uma abertura 12 definida entre duas pontas 10', 1011 tal como re25 velado na figura 5 deste documento. Entre outras funções, a abertura 12 é útil durante a instalação do anel de pistão do estado da técnica 1' ao redor do êmbolo (não revelado nas figuras). A abertura 12 provê acesso a uma ferramenta configurada para abrir o anel 1’, ampliando seu diâmetro interno além dos limites radiais externos do êmbolo, possibilitando assim o seu a30 cesso à canaleta de anel, o recesso na face externa do êmbolo onde se aloja o anel.In general, prior art piston rings 1 'comprise an opening 12 defined between two ends 10', 1011 as shown in Figure 5 herein. Among other functions, aperture 12 is useful during installation of the prior art piston ring 1 'around the piston (not shown in the figures). Opening 12 provides access to a tool configured to open ring 1 ', extending its inner diameter beyond the radial outer limits of the piston, thereby enabling its access to the ring groove, the recess on the outer face of the piston housing the piston. ring.

De forma resumida o anel de pistão deve apresentar boa capacidade de vedação, e para garantir a manutenção dessa característica ao longo da vida do motor, o anel de pistão deve apresentar adequada estabilidade mecânica ou a quebras, e também adequada resistência ao desgaste frente aos seus pares tribológicos: o cilindro para sua face de contato e o canalete do 5 pistão para sua face de contato lateral. O desgaste excessivo das superfícies laterais e da face de contato acaba por promover a degradação da função principal de vedação da câmarade combustão e pode resultar na degradação abrupta das condições de funcionamento do motor.Briefly, the piston ring must have good sealing ability, and to ensure that this characteristic is maintained throughout the engine life, the piston ring must have adequate mechanical or breakage stability and also wear resistance against its tribological pairs: the cylinder for its contact face and the 5-piston groove for its lateral contact face. Excessive wear on the side surfaces and contact face ultimately causes degradation of the combustion chamber's main sealing function and may result in abrupt degradation of engine operating conditions.

Grande parte dos esforços para solução de desgaste de anéis de pistão tem sido direcionada para o desenvolvimento de revestimentos e tratamentos superficiais que venham a conferir melhor resistência ao desgaste e assim impactando diretamente na durabilidade do motor.Much of the effort to solve piston ring wear has been directed to the development of coatings and surface treatments that will provide better wear resistance and thus directly impacting engine durability.

Uma das operações de tratamento superficial utilizada no estado da técnica para atribuir maior resistência superficial a estas peças é o pro15 cesso de nitretação. O processo de nitretação consiste basicamente na exposição do anel a um ambiente aquecido tendo átomos de nitrogênio. O resultado da aplicação deste processo é a criação de uma camada externa enrijecida pela saturação do elemento nitrogênio em meio à estrutura cristalográfica do metal.One of the surface treatment operations used in the prior art to assign greater surface resistance to these parts is the nitriding process. The nitriding process basically consists of exposing the ring to a heated environment having nitrogen atoms. The result of the application of this process is the creation of an outer layer hardened by the saturation of the nitrogen element in the crystallographic structure of the metal.

Ademais, também é sabido que o design do anel do pistão (istoIn addition, it is also known that the design of the piston ring (this

é, sua forma geométrica tridimensional) pode contribuir para maior vida útil do motor do serviço através do controle do modelo de desgaste dos anéis de pistão pela promoção de distribuição de pressão apropriadas, conferindo assim maior homogeneidade do desgaste ao longo da superfície periférica do anel de pistão.that is, its three-dimensional geometric shape) can contribute to longer service motor life by controlling the piston ring wear model by promoting appropriate pressure distribution, thereby giving greater wear homogeneity along the peripheral surface of the piston ring. piston.

Para cumprir com eficiência seu papel de vedação, o anel de pistão deve apresentar secção transversal delgada, deve ainda ser construído com base em um material com propriedades elásticas e ou se prover do auxílio de um agente expansor do tipo mola para proporcionar uma força de 30 expansão contra a parede do cilindro que pode ser traduzida na conformabiIidade do anel para com o cilindro. Esta característica é extremamente importante se for considerada as condições de funcionamento do motor quando o cilindro se deforma e o anel deve se conformar à superfície distorcida do cilindro para continuar desempenhando seu papel de vedação e de transmissão de calor.In order to effectively fulfill its sealing role, the piston ring must have a thin cross section, it must be constructed from a material with elastic properties and, or be aided by a spring-type blowing agent to provide a force of 30 mm. expansion against the cylinder wall which can be translated into the conformability of the ring to the cylinder. This feature is extremely important when considering engine operating conditions when the cylinder deforms and the ring must conform to the distorted surface of the cylinder to continue to perform its sealing and heat transmission role.

A característica conformabilidade é diretamente relacionada à força de expansão do anel, portanto quanto maior a força proporcionada pelo anel, maior a capacidade deste componente se conformar ao cilindro no qual vai ser acomodado. No entanto, o aumento da força de expansão dos anéis impacta diretamente no aumento do atrito entre o anel e a parede do cilindro, o que não é desejável para o nível de desenvolvimento atual onde a busca por aumento de durabilidade e eficiência tem guiado a indústria automobilística. Em termos de desgaste em anéis de pistão, a parte mais afetada do componente é a região da superfície de contato do anel com o cilindro. Ao longo desta superfície de contato - denominada doravante face radial externa - existe uma porção específica, que sofre um desgaste ainda maior que o desgaste médio sofrido por esta face radial externa: as regiões próximas às pontas do anel (denominadas zonas críticas 11 - vide figura 5). Esse aumento de desgaste se deve, sobretudo, a três fatores principais: ao processo de fabricação do anel; ao carregamento mecânico do motor e às condições térmicas impostas ao anel durante o funcionamento do motor.The conformability characteristic is directly related to the expansion force of the ring, so the greater the force provided by the ring, the greater the capacity of this component to conform to the cylinder in which it will be accommodated. However, increasing ring expansion force directly impacts increased friction between the ring and the cylinder wall, which is not desirable for the current level of development where the pursuit of increased durability and efficiency has driven the industry. automotive In terms of piston ring wear, the most affected part of the component is the region of the ring to cylinder contact surface. Along this contact surface - hereinafter referred to as the outer radial face - there is a specific portion that suffers even greater wear than the average wear suffered by this outer radial face: the regions near the ends of the ring (called critical zones 11 - see figure 5). This increase in wear is mainly due to three main factors: the ring manufacturing process; mechanical loading of the engine and the thermal conditions imposed on the ring during engine operation.

O fator referente ao processo de fabricação, se refere à dificuldade de se atingir baixos níveis de pressão na região das pontas (zonas críticas 11), devido principalmente ao efeito indesejável do desvio do raio de curvatura nesta posição gerado por processos convencionais de 25 produção do anel, onde o diâmetro do anel é modificado pela remoção de material nas pontas dos anéis.The factor related to the manufacturing process refers to the difficulty of achieving low pressure levels in the tip region (critical zones 11), mainly due to the undesirable effect of bending radius deviation in this position generated by conventional processes of production of the tip. where the diameter of the ring is modified by removing material at the ring tips.

O carregamento mecânico do motor é outro fator impactante na concentração de desgaste nas pontas dos anéis de pistão, devido à ação do fluxo de gases que passam pelo canalete dos anéis de pistão, promovendo desta forma uma pressão na região da face interna do anel de pistão e impulsionando-o contra a superfície interna do cilindro.Mechanical engine loading is another impacting factor in the wear concentration at the piston ring tips due to the action of the gas flow through the piston ring groove, thereby promoting pressure on the inner face of the piston ring. and pushing it against the inner surface of the cylinder.

Outra contribuição importante para o aumento do desgaste na região das pontas dos anéis, se refere ao processo de transferência de calor do pistão, mais quente, para o cilindro arrefecido e o correspondente momento térmico gerado pelo gradiente de temperatura entre a face interna do anel de pistão, mais quente e sua face externa, mais fria.Another important contribution to increased wear on the ring tip region is the hotter piston heat transfer process to the cooled cylinder and the corresponding thermal momentum generated by the temperature gradient between the inner face of the ring. piston, warmer and its outer face colder.

Algumas tentativas de solucionar as condições de distribuição de pressão, a fim de conseguir um comportamento desejável desgaste através da superfície periférica do anel podem ser observadas nos documentos EP 545094, DE 4310249 e JP 2001263488, que apresentam 10 como solução de aplicação de raios de curvaturas diferenciados ao longo da periferia do anel de pistão, de forma a promover um balanceamento da pressão promovida entre o anel de pistão e o cilindro, especialmente na região das pontas dos anéis, buscando assim, uma solução para o efeito indesejável de aumento de pressão na região das pontas dos anéis advindo 15 do processo de fabricação dos anéis.Some attempts to solve the pressure distribution conditions in order to achieve a desirable wear behavior across the circumferential surface of the ring can be seen in EP 545094, DE 4310249 and JP 2001263488, which present 10 as a bending radius solution. differently along the periphery of the piston ring, in order to provide a balance of the pressure promoted between the piston ring and the cylinder, especially in the region of the ring tips, thus seeking a solution to the undesirable effect of pressure increase on the piston ring. region of the ring tips coming from the ring manufacturing process.

A principal desvantagem de alternativas de formas livres para aumentar a distribuição de pressão nos anéis de pistão se refere no entanto à dificuldade da manutenção da forma aplicada no anel durante sua fabricação, uma vez que a operação de geração de forma é uma das 20 primeiras operações do processo de fabricação de anéis, precedendo várias operações de remoção de material, tratamentos térmicos e de recobrimentos de camadas para aumento da resistência ao desgaste, que acabam por modificar consideravelmente a forma livre/distribuição de raios de curvatura do anel originalmente aplicados.The main disadvantage of freeform alternatives to increase the pressure distribution in the piston rings, however, relates to the difficulty of maintaining the shape applied to the ring during its manufacture, since the shape generation operation is one of the first 20 operations. of the ring fabrication process, preceding various material removal, heat treatment and layer coating operations to increase wear resistance, which considerably modify the freeform / distribution of ring bends radii originally applied.

A esse respeito, a figura 9 deste documento revela um diagramaIn this regard, Figure 9 of this document shows a diagram

teórico das forças que atuam sobre o anel de pistão do estado da técnica 1' utilizado para a fabricação do anel de pistão.The theory of the forces acting on the piston ring of the prior art 1 'used for the manufacture of the piston ring.

A figura 9.1 revela um diagrama das forças que atuam sobre o anel de pistão do estado usual da técnica 1' quando instalado internamente ao motor (isto é com sua face radial interna em contato com o êmbolo e sua face radial externa em contato com o cilindro), e já com a influência dos desvios de forma causado pelas operações de usinagem, principalmente das operações que modificam o diâmetro do anel pela remoção de material da face das pontas dos anéis.Figure 9.1 shows a diagram of the forces acting on the piston ring of the usual state of the art 1 'when installed internally to the engine (ie with its inner radial face in contact with the piston and its outer radial face in contact with the cylinder). ), and already influenced by shape deviations caused by machining operations, especially operations that modify the ring diameter by removing material from the face of the ring tips.

Esta distribuição de forças faz com que as regiões as zonas críticas 11 se desgastem excessivamente.This distribution of forces causes the critical zone 11 regions to wear excessively.

5 Uma distribuição otimizada das forças, seguindo o conceito ex5 An optimal distribution of forces following the ex concept

posto nas EP 545094, DE 4310249 e JP 2001263488 é demonstrada na figura 8. Na ilustração da figura 8 a distribuição teórica da força exercida pelo anel de pistão 1 contra a face interna do cilindro é quase nula na região das pontas 10. Nota-se que, o primeiro valor de força radial V1 disposto em pro10 ximidade às pontas 10 é muito inferior ao valor da força radial V2 disposto a 180° da abertura 12. Para isso são desenhados vários modelos de curvatura de raios ao longo do anel que visa promover o reposicionamento dos pontos de maior força radial para fora da região das pontas dos anéis.EP 545094, DE 4310249 and JP 2001263488 is shown in Figure 8. In the illustration of Figure 8 the theoretical distribution of the force exerted by the piston ring 1 against the inner face of the cylinder is almost nil in the region of the tips 10. Note whereas the first radial force value V1 disposed proximal to the tips 10 is much lower than the value of radial force V2 disposed 180 ° of aperture 12. For this purpose, several radius curvature models are designed along the ring to promote repositioning the points of greatest radial force out of the ring tip region.

No entanto, como mostrado na figura 8.1, a distribuição de for15 ças real do anel de pistão produzido a partir desta distribuição otimizada de forças ainda apresenta valores de força radial V1 altos, devido à influência dos desvios de forma causado pelas operações de usinagem, principalmente das operações que modificam o diâmetro do anel pela remoção de material da face das pontas dos anéis. Isso ressalta que o impacto dos desvios 20 de manufatura, são maiores que os benefícios advindos da distribuição de forças radiais teóricas aplicadas ao anel.However, as shown in figure 8.1, the actual force distribution of the piston ring produced from this optimized force distribution still has high V1 radial force values due to the influence of shape deviations caused by machining operations, mainly operations that modify the ring diameter by removing material from the face of the ring tips. This emphasizes that the impact of manufacturing deviations 20 outweighs the benefits of the distribution of theoretical radial forces applied to the ring.

Outros estados da técnica são descritos nos documentos US6631908, US20090026711, que revelam anéis de pistão cujas pontas 10' foram submetidas a processos de remoção de material localizada, em sua 25 face interna. Estas técnicas visam aumentar a flexibilidade nas pontas 10' do anel, diminuindo a pressão provocada por estas pontas 10' à face interna do cilindro. Contudo, ao remover material da face interna das pontas 10’, estas técnicas anteriores criam anéis ineficazes para vedação da câmara de combustão. Isto porque, o material removido destas pontas 10' dá origem a um 30 espaçamento (antes inexistente) entre as pontas do anel 10' e o êmbolo do pistão. Este espaçamento atua como reservatório para combustível e óleo não queimado, aumentando a emissão de hidrocarbonetos. Assim, faz-se necessária a criação de uma solução técnica nova, que seja capaz de resolver o problema da distribuição heterogênea de forças da face externa do anel de pistão contra a face interna do cilindro, sem que seja criado um novo entrave à fabricação ou performance do anel.Other prior art are described in US6631908, US20090026711, which disclose piston rings whose ends 10 'have undergone localized material removal processes on their inner face. These techniques aim to increase flexibility at the ends 10 'of the ring by decreasing the pressure caused by these ends 10' to the inner face of the cylinder. However, by removing material from the inner face of tips 10 ', these prior art techniques create ineffective rings for sealing the combustion chamber. This is because the material removed from these tips 10 'gives rise to a (previously nonexistent) spacing between the ring tips 10' and the piston piston. This spacing acts as a reservoir for unburnt fuel and oil, increasing hydrocarbon emissions. Thus, it is necessary to create a new technical solution capable of solving the problem of heterogeneous distribution of forces from the piston ring outer face to the cylinder inner face, without creating a new barrier to manufacturing or ring performance.

Objetivos da InvençãoObjectives of the Invention

A presente invenção tem por objetivo a provisão de um anel de pistão que revele maior homogeneidade no desgaste ao longo de sua superfície radial externa após sua utilização prolongada em um motor à combustão interna.The present invention aims to provide a piston ring that reveals greater wear homogeneity along its outer radial surface after prolonged use in an internal combustion engine.

A presente invenção tem por objetivo também a provisão de umThe present invention also has as its objective the provision of a

anel de pistão que alcance o resultado descrito acima sem que isto implique na diminuição da eficiência de vedação do anel nem no aumento significativo dos custos de fabricação desta peça.piston ring that achieves the result described above without reducing the sealing efficiency of the ring or significantly increasing the manufacturing costs of this part.

A presente invenção tem por objetivo também a provisão de um método de fabricação deste anel de pistão.The present invention also provides for a method of manufacturing this piston ring.

Breve Descrição da InvençãoBrief Description of the Invention

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão dotado de uma face superior uma face inferior, uma face externa e uma face interna; a face externa sendo integralmente coberta por uma camada nitretada; e, pelo menos, uma porção da face interna não estando coberta por esta camada nitretada.The objects of the present invention are achieved by a piston ring having an upper face, a lower face, an outer face and an inner face; the outer face being integrally covered by a nitrided layer; and at least a portion of the inner face not being covered by this nitrided layer.

Os objetivos da presente invenção são também alcançados por um anel de pistão de formato substancialmente anelar dotado de uma primeira face externa e uma segunda face interna, dotado de uma região de 25 abertura em que, pelo menos, uma porção da face interna não apresenta camada nitretada e exerce um primeiro valor de força radial tomado na abertura; e um segundo valor de força radial tomado à substancialmente 180° da região de abertura, onde a relação entre V1/V2 é inferior a 1 e preferencialmente inferior a 0,5.The objects of the present invention are also achieved by a substantially annular shaped piston ring having a first outer face and a second inner face having an opening region in which at least a portion of the inner face has no layer. nitrided and exerts a first radial force value taken at the opening; and a second radial force value taken substantially 180 ° from the aperture region, where the ratio of V1 / V2 is less than 1 and preferably less than 0.5.

Os objetivos da presente invenção são também alcançados porThe objectives of the present invention are also achieved by

um processo de fabricação de um anel de pistão, que consiste na nitretação integral de toda a superfície externa do anel e a subsequente remoção de, pelo menos, uma porção da camada nitretada disposta sobre a face interna deste anel.A process of manufacturing a piston ring, which consists in integral nitriding of the entire outer surface of the ring and the subsequent removal of at least a portion of the nitrided layer disposed on the inner face of this ring.

Os objetivos da presente invenção são alcançados ainda por um processo de fabricação de um anel de pistão que consiste na nitretação parciai da superfície externa do anel, preservando-se livre de camada nitretada, pelo menos, uma parte da face interna deste anel.The objects of the present invention are further achieved by a process of manufacturing a piston ring consisting of partial nitriding of the outer surface of the ring while preserving at least part of the inner face of this ring free of nitrided layer.

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of the Drawings

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:The present invention will hereinafter be described in more detail based on an exemplary embodiment shown in the drawings. The figures show:

figura 1 - é uma vista em corte transversal do anel de pistão da presente invenção em uma primeira configuração construtiva.Figure 1 is a cross-sectional view of the piston ring of the present invention in a first constructive configuration.

figura 2 - é uma vista em corte transversal do anel de pistão da presente invenção em uma segunda configuração construtiva.Figure 2 is a cross-sectional view of the piston ring of the present invention in a second constructive configuration.

figura 3 - é uma vista em corte transversal do anel de pistão daFigure 3 is a cross-sectional view of the piston ring of the

presente invenção em uma terceira configuração construtiva.present invention in a third constructive configuration.

figura 4 - é uma vista em corte transversal do anel de pistão da presente invenção em uma quarta configuração construtiva.Figure 4 is a cross-sectional view of the piston ring of the present invention in a fourth embodiment.

figura 5 - é uma vista superior de um anel de pistão do estadoFigure 5 is a top view of a state piston ring.

da técnica.of technique.

figuras 6.1, 6.2 e 6.3 - são fotografias de porções da face externa do anel de pistão da presente invenção após submissão a um teste laboratorial de resistência e fadiga.Figures 6.1, 6.2 and 6.3 are photographs of portions of the outer face of the piston ring of the present invention after subjecting to a resistance and fatigue laboratory test.

figuras 7.1, 7.2 e 7.3 - são fotografias de porções da face externa do anel de pistão do estado da técnica após submissão a um teste laboratorial de resistência e fadiga.Figures 7.1, 7.2 and 7.3 - are photographs of portions of the prior art piston ring outer face after undergoing a laboratory test of resistance and fatigue.

figura 8 - é um diagrama representativo das forças que atuam sobre o anel de pistão em uma primeira caracterização do estado da arte, contra a face interna do cilindro, durante uma situação teórica, usada para a 30 fabricação da peça. figura 8.1 - é um diagrama representativo das forças que atuam sobre o anel de pistão em uma primeira caracterização do estado da arte, contra a face interna do cilindro, para o produto acabado. figura 9 - é um diagrama representativo das forças que atuam sobre o anel de pistão em uma primeira caracterização do estado da técnica, contra a face interna do cilindro, durante uma situação teórica, usada para a fabricação da peça.Figure 8 is a diagrammatic representation of the forces acting on the piston ring in a first state of the art characterization against the inner face of the cylinder during a theoretical situation used for part fabrication. Figure 8.1 is a representative diagram of the forces acting on the piston ring in a first state of the art characterization against the inner face of the cylinder for the finished product. Figure 9 is a diagrammatic representation of the forces acting on the piston ring in a first state of the art characterization against the inner face of the cylinder during a theoretical situation used for part fabrication.

figura 9.1- é um diagrama representativo das forças que atuamFigure 9.1- is a representative diagram of the forces acting

sobre o anel de pistão do estado da técnica contra a face interna do cilindro de um motor em uma situação para o produto acabado.about the prior art piston ring against the inner cylinder face of an engine in a situation for the finished product.

figura 10 - é um gráfico representativo das forças que atuam sobre o anel de pistão da presente invenção contra a face interna de um cilindro durante uma situação normal de uso.Figure 10 is a representative graph of the forces acting on the piston ring of the present invention against the inner face of a cylinder during normal use.

figura 11 - é um gráfico representativo das forças que atuam sobre o anel de pistão do estado da técnica contra a face interna de um cilindro durante uma situação normal de uso.Figure 11 is a graph representing the forces acting on the state of the art piston ring against the inner face of a cylinder during normal use.

Descrição Detalhada das Figuras A presente invenção consiste em um anel de pistão 1, 2, 3, 4Detailed Description of the Figures The present invention consists of a piston ring 1, 2, 3, 4

parcialmente nitretado.partially nitrided.

Através de diversos estudos e experimentos, foi constatado que quando a face interna 1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d do anel de pistão do estado da técnica 1’ é submetida a um processo de nitretação, as tensões que se surgem após a criação da camada endurecida sobre esta área intensificam o desgaste nas zonas críticas 11 (reveladas na figura 5).Through various studies and experiments, it has been found that when the inner face 1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d of the prior art piston ring 1 'is subjected to a nitriding process, the stresses that arise after creation of the hardened layer on this area intensify the wear on the critical zones 11 (shown in figure 5).

Assim, a presente invenção consiste - obrigatoriamente - em um anel de pistão 1, 2, 3, 4 que compreende sua face externa 1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c integralmente nitretada e sua face interna 1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d, pelo menos, parcialmente livre de nitretação.Thus, the present invention must consist of a piston ring 1, 2, 3, 4 comprising its integrally nitrided outer face 1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c and its inner face 1d, 2d, 3d, 3.1d 4d at least partially free of nitriding.

O anel de pistão 1, 2, 3, 3.1, 4 da presente invenção pode ser produzido através de dois processos de fabricação distintos:Piston ring 1, 2, 3, 3.1, 4 of the present invention can be produced by two distinct manufacturing processes:

• Através da nitretação parcial do anel de pistão 1, 2, 3, 3.1, 4 evitando-se a aplicação deste tratamento a pelo menos uma porção da face• By partially nitriding the piston ring 1, 2, 3, 3.1, 4 avoiding the application of this treatment to at least a portion of the face

interna do anel 1d, 2d, 3d, 3.1 d, 4d.inner ring 1d, 2d, 3d, 3.1 d, 4d.

• Através da nitretação integral de toda a superfície externa do anel 1, 2, 3, 3.1, 4 e a posterior remoção da camada nitretada 13 em, pelo menos, uma porção da face interna do anel 1d, 2d, 3d, 3.1d 4d.• By integral nitriding of the entire outer surface of the ring 1, 2, 3, 3.1, 4 and subsequent removal of the nitrided layer 13 on at least a portion of the inner face of the ring 1d, 2d, 3d, 3.1d 4d .

A título de esclarecimento, a nitretação é um tratamento termoquímico que requer a exposição a um ambiente enriquecido com gás nitrogênio e a submissão simultânea a altas temperaturas. Quando estas duas 5 condições ocorrem simultaneamente, o processo de nitretação torna-se capaz de difundir o elemento Nitrogênio através da camada mais externa de um metal.For clarity, nitriding is a thermochemical treatment that requires exposure to a nitrogen-enriched environment and simultaneous submission to high temperatures. When these two conditions occur simultaneously, the nitriding process becomes able to diffuse the nitrogen element through the outermost layer of a metal.

A fim de se obter a nitretação parcial do anel de pistão 1, 2, 3,In order to achieve partial nitriding of the piston ring 1, 2, 3,

3.1, 4, pode-se cobrir a porção desta peça que se deseja manter livre da camada nitretada 13 com um segundo material.3.1, 4, the portion of this part which is to be kept free of the nitrided layer 13 may be covered with a second material.

Alternativamente, o anel de pistão 1, 2, 3, 3.1 4 pode ser integralmente submetido a um processo de nitretação, e após estabelecida a camada enrijecida sobre toda a superfície externa do anel de pistão 1,2,3,Alternatively, the piston ring 1, 2, 3, 3.1 4 may be subjected to a full nitriding process, and after the hardened layer is established over the entire outer surface of the piston ring 1,2,3,

3.1, 4, esta camada nitretada 13 pode ser removida por esmerilhamento, retífica ou outros processos de usinagem realizados sobre a face interna 1d,3.1, 4, this nitrided layer 13 can be removed by grinding, grinding or other machining processes performed on the inner face 1d,

2d, 3d, 3.1, 4d do anel.2d, 3d, 3.1, 4d of the ring.

Na figura 1, é revelado um anel de face interna chanfrada 1. O processo de fabricação deste anel envolve a nitretação integral da peça original e a formação de um chanfro 1e próximo à face superior 1a ou inferi20 or 1b desta peça. Este procedimento pode ser realizado, por exemplo, através da utilização de um processo de usinagem usual, com remoção de cavaco e via processos mais modernos como eletroerosão a fio, um processo de corte metálico bastante conhecido no estado da técnica, e cortes por feixe de Iuz (laser).In figure 1, a beveled inner face ring 1 is disclosed. The manufacturing process of this ring involves integral nitriding of the original part and forming a bevel 1e near the upper face 1a or less than 1b of this part. This procedure can be performed, for example, by using a usual chip removal machining process and via more modern methods such as wire EDM, a metal cutting process well known in the prior art, and beam cutting. Iuz (laser).

Nota-se que, qualquer um destes processos que envolvem a niNote that any of these processes involving ni

tretação integral do anel 1, 2, 3, 3.1, 4 e a posterior usinagem da peça, devem ser realizados de maneira tal que a usinagem seja capaz de remover material suficiente da superfície do anel 1, 2, 3, 3.1, 4, até que seja alcançado o núcleo 14 desta peça (isto é, a porção interior do anel, não afetada peIo processo de nitretação).Full ring trimming 1, 2, 3, 3.1, 4 and subsequent part machining should be performed in such a way that machining is able to remove sufficient material from the ring surface 1, 2, 3, 3.1, 4 up to that core 14 of this part is reached (ie, the inner portion of the ring, unaffected by the nitriding process).

Além do anel de face interna chanfrada 1, outras formas possíveis de concretização desta invenção - que ilustram, mas não esgotam suas possibilidades de realização - são: o anel de face interna lisa 2 (que define uma secção transversal retangular); o anel com secção transversal substancialmente trapezoidal 3 com remoção total ou parcial (conforme figura 3.1 enviada); o anel de face interna chanfrada e integralmente livre 4 e o anel de secção transversal substancialmente trapezoidal (não revelado nas figuras).In addition to the beveled inner face ring 1, other possible embodiments of this invention - which illustrate but do not exhaust its possibilities - are: the smooth inner face ring 2 (which defines a rectangular cross section); the substantially trapezoidal cross-section ring 3 with full or partial removal (as shown in Figure 3.1); the integrally beveled inner face ring 4 and the substantially trapezoidal cross-section ring (not shown in the figures).

Todos os anéis 1, 2, 3, 3.1, 4 descritos acima revelaram bons resultados quando submetidos a testes de fadiga e resistência. Todos eles foram capazes de alcançar algo próximo ao resultado revelado na figura 11, que exibe o comportamento de um anel de pistão 1,2, 3, 4 em condições reais de distribuição de pressão no produto acabado.All rings 1, 2, 3, 3.1, 4 described above showed good results when subjected to fatigue and resistance tests. They were all able to achieve something close to the result shown in Figure 11, which shows the behavior of a piston ring 1,2, 3, 4 under actual pressure distribution conditions in the finished product.

Para um resultado mais objetivo e acurado alcançado pela presente invenção é recomendada a visualização das figuras 11 e 12, que comparam a distribuição de pressão do anel do estado da técnica 1' a um anel de pistão da presente invenção 1, 2, 3, 3.1, 4.For a more objective and accurate result achieved by the present invention it is recommended to view Figures 11 and 12 comparing the pressure distribution of the prior art ring 1 'to a piston ring of the present invention 1, 2, 3, 3.1. , 4.

Nota-se que os anéis 1, 2, 3, 3.1, 4 são capazes de reduzir a inNote that the rings 1, 2, 3, 3.1, 4 are capable of reducing the

tensidade da força aplicada por suas pontas contra face interna do cilindro (não revelada nas figuras). Isto não ocorre no estado da técnica (vide figuratensile force applied by its tips against the inner face of the cylinder (not shown in the figures). This does not occur in the state of the art (see figure

8.1, 9.1e 12) onde o anel de pistão do estado da técnica 1' revela um primeiro valor de força radial V1' em proximidade à abertura 12 de aproximadamente 3 vezes o valor de força radial V2' tomado à substancialmente 180° da região de abertura 12.8.1, 9.1e 12) where the prior art piston ring 1 'reveals a first radial force value V1' near opening 12 of approximately 3 times the radial force value V2 'taken substantially 180 ° from the region of opening 12.

Na presente invenção, a relação entre o primeiro valor de força radial V1, em proximidade â abertura 12 menor ou igual ao valor da segunda força radial V2 sendo em uma configuração preferencial menos da metade 25 do valor da segunda força radial V2. Em outras palavras, a razão V1/V2 é inferior a 1, sendo preferencialmente menor que 0,5. Dentre todos os anéis de pistão 1, 2, 3, 4 revelados neste relatório, um dos que apresentou eficiência nos testes laboratoriais realizados com estas peças foi o anel de face interna chanfrada 3.1.In the present invention, the ratio of the first radial force value V1, close to the opening 12 less than or equal to the value of the second radial force V2, is in a preferred configuration less than half 25 of the value of the second radial force V2. In other words, the V1 / V2 ratio is less than 1, preferably less than 0.5. Among all piston rings 1, 2, 3, 4 revealed in this report, one of which showed efficiency in the laboratory tests performed with these parts was the beveled inner ring 3.1.

O anel de face interna chanfrada 3.1 foi submetido a diversosThe beveled inner face ring 3.1 has been subjected to several

testes laboratoriais. Alguns dos resultados obtidos através destes testes se encontram nas figuras 6.1, 6.2, 6.3 e na figura 10. As figuras 6.1, 6.2 e 6.3 revelam o aspecto visual da camada mais externa do anel de pistão 1, 2, 3, 3.1, 4 após decorridos alguns ensaios laboratoriais que simulam as condições tribológicas da interface cilindro/pistão em um motor, durante o funcionamento normal de um veículo.laboratory tests. Some of the results obtained through these tests are shown in Figures 6.1, 6.2, 6.3 and Figure 10. Figures 6.1, 6.2 and 6.3 show the visual appearance of the outermost layer of the piston ring 1, 2, 3, 3.1, 4 after Some laboratory tests have been performed which simulate the tribological conditions of the cylinder / piston interface in an engine during normal vehicle operation.

As figuras 6.1, 6.2 e 6.3 podem ser comparadas quadro a quaFigures 6.1, 6.2 and 6.3 can be compared table by table.

dro com as figuras 7.1, 7.2, 7.3, que revelam o resultado obtido através do mesmo experimento, realizado, desta vez, com um anel de pistão do estado da técnica.Fig. 7.1, 7.2, 7.3, which show the result obtained from the same experiment, performed this time with a state of the art piston ring.

As figuras 6.1, 6.3, 7.1 e 7.3 revelam as porções da face externa 10 1c dispostas em proximidade às pontas 10. Nota-se através destas figuras que o anel de face interna chanfrada 3.1 apresenta menor marcação de de desgaste e consequentemente perde muito menos material nas zonas críticas 11 que o anel de pistão do estado da técnica 1', quando exposto às mesmas condições tribológicas.Figures 6.1, 6.3, 7.1 and 7.3 show the portions of the outer face 10 1c arranged in proximity to the tips 10. It is apparent from these figures that the beveled inner face ring 3.1 has less wear marking and consequently loses much less material. in the critical zones 11 as the prior art piston ring 1 'when exposed to the same tribological conditions.

A figura 11 revela os resultados de um segundo experimento reFigure 11 shows the results of a second experiment.

alizado com um anel de face interna chanfrada 3.1. Esta figura exibe um gráfico que equaciona a força radial exercida em cada um dos pontos da face externa 1c do anel contra a face interna do cilindro, em função da disposição angular destes pontos no anel.with a beveled inner face ring 3.1. This figure shows a graph that equates the radial force exerted at each of the points on the outer face 1c of the ring against the inner face of the cylinder, as a function of the angular arrangement of these points on the ring.

A figura 12 revela o mesmo gráfico, com os resultados obtidosFigure 12 shows the same graph, with the results obtained

através do mesmo experimento realizado com um anel do estado da técnica 1'. A principal diferença entre estes gráficos pode ser percebida nas posições O0 e 360°, que correspondem à disposição das zonas críticas 11.through the same experiment performed with a prior art ring 1 '. The main difference between these graphs can be seen in the positions O0 and 360 °, which correspond to the layout of the critical zones 11.

Nota-se que o anel de face interna chanfrada 3.1 exerce uma pressão muito menor contra a face interna do cilindro nas zonas críticas 11 que o anel de pistão do estado da técnica 1'.It is noted that the beveled inner ring 3.1 exerts much less pressure against the inner face of the cylinder in critical zones 11 than the prior art piston ring 1 '.

Retornando às figuras 1, 2, 3, 3.1 e 4, reitera-se aqui, que a presente invenção consiste em um anel de pistão 1, 2, 3, 3.1, 4 que obrigatoriamente revela sua face externa 1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c coberta com uma cama30 da nitretada 13 e que também obrigatoriamente revela, pelo menos, uma porção de sua face interna 1 d, 2d, 3d, 3.1d, 4d livre de nitretação, isto é, com as mesmas propriedades físico-químicas do substrato, ou núcleo 14. Por outro lado, qualquer remoção de camada nitretada 13 na face interna 1d, 2d, 3d, 3.1 d, 4d é capaz de atenuar o desgaste nas zonas críticas 11.Returning to Figures 1, 2, 3, 3.1 and 4, it is reiterated here that the present invention consists of a piston ring 1, 2, 3, 3.1, 4 which shall reveal its outer face 1c, 2c, 3c, 3.1. c, 4c covered with a bed of nitrided 13 and which must also reveal at least a portion of its internal face 1 d, 2d, 3d, 3.1d, 4d free of nitriding, ie with the same physicochemical properties. On the other hand, any removal of nitrided layer 13 on the inner face 1d, 2d, 3d, 3.1 d, 4d is able to attenuate wear in critical zones 11.

Portanto, o escopo de proteção da presente invenção consiste 5 em um anel de pistão 1, 2, 3, 3.1 e 4 para qualquer modelo de motor a combustão interna, sendo este anel de pistão 1, 2, 3, 3.1, 4 revestido integralmente por uma camada nitretada 13 em sua face externa 1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c e livre de camada nitretada 13 em pelo menos uma porção de sua face interna 1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d.Therefore, the scope of protection of the present invention consists of a piston ring 1, 2, 3, 3.1 and 4 for any internal combustion engine model, this piston ring 1, 2, 3, 3.1, 4 being fully coated. by a nitrided layer 13 on its outer face 1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c and free of nitrided layer 13 on at least a portion of its inner face 1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d.

Alternativamente, é válido informar que, além da cobertura parAlternatively, it is worth noting that in addition to coverage for

cial de uma camada nitretada 13, o anel de pistão 1 da presente invenção também pode compreender um revestimento à base de cromo, um revestimento formado pela deposição de vapor iônico (Ion Vapor Deposition, IVD) ou aspersão térmica em sobreposição à camada nitretada 13.of a nitrided layer 13, the piston ring 1 of the present invention may also comprise a chrome based coating, a coating formed by ion vapor deposition (IVD) or thermal spray overlapping the nitrided layer 13.

Por fim, cumpre notar que as vantagens decorrentes da tecnoFinally, it should be noted that the advantages of technology

logia descrita neste relatório não estão limitadas à longevidade e resistência do anel de pistão 1. Outra característica advinda da utilização desta tecnologia consiste na provisão de uma maior elasticidade ao corpo do anel 1, 2, 3,The characteristics described in this report are not limited to the longevity and strength of the piston ring 1. Another feature of the use of this technology is the provision of greater elasticity to the ring body 1, 2, 3,

3.1, 4 como um todo, que melhora a conformação do anel de pistão 1, 2, 3, 3.1, 4 na caneleta do êmbolo e diminui o risco do surgimento de trincas e quebra do anel 1, 2, 3, 3.1, 4 durante o seu processo de instalação na canaIeta e durante seu funcionamento no motor.3.1, 4 as a whole, which improves the conformation of the piston ring 1, 2, 3, 3.1, 4 in the piston rod and decreases the risk of cracking and breaking of the ring 1, 2, 3, 3.1, 4 during its installation process in the rod and during its operation in the engine.

Finalmente, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitados tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.Finally, it should be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations, being limited only by the content of the appended claims, including the possible equivalents thereof.

Claims

1. piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) having an outer face (1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c) and an inner face (1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d); characterized in that the outer face 1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c) is entirely covered by a nitrided layer (13) and at least a portion of the inner face (1d, 2d, 3d, 3.1 d, 4d) it is covered by a nitrided layer (13).

Piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) according to claim 1, characterized in that it has an upper face (1a, 2a, 3a, 3.1a, 4a) and a lower face (1b, 2b, 3b, 3.1b, 4b) covered by a nitrided layer (13).

Piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) according to claim 1, characterized in that it is initially subjected to an integral nitriding process of its entire external surface and is subsequently worked by removing by the part of the nitrided layer (13) disposed on the inner face (1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d).

Piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) according to claim 3, characterized in that after the outer surface nitriding process, a chamfer (1e) disposed between the inner face is machined. (1d, 2d, 3d, 3.1 d, 4d) and one of the upper (1a, 2a, 3a, 3.1a, 4a) or lower (1b, 2b, 3b, 3.1b, 4b) faces.

Piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) according to claim 1, characterized in that it is subjected to a partial nitriding process of its outer surface, which provides full coverage of the entire face. (1c, 2c, 3c, 3.1c, 4c) and preserves at least a portion of the nitrided layer free inner face (1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d) (13).

Piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) according to claim 1, characterized in that it comprises one of the following cross-sections: rectangular, beveled rectangular, substantially trapezoidal, or substantially triangular.

Piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) according to claim 1, characterized in that on the nitrided layer (13) there is a second layer, the second layer consisting of one of the following options: a chrome based coating; a coating formed by ion vapor deposition (IVD); or a layer formed by thermal spray.

8. A substantially annular shaped piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4) having a first outer face and a second inner face having an opening region (12), characterized in that at least one portion of the inner face has no nitrided layer and exerts a first radial force value (V1) taken at the aperture; and a second radial force value (V2) taken substantially 180 ° from the aperture region (12), wherein the ratio of V1 / V2 is less than 1 and preferably less than 0.5.

9. Manufacturing process and piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4), characterized in that it consists of integral nitriding of the entire outer surface of the piston ring (1) and the subsequent removal of at least a portion of the nitrided layer (13) disposed on the inner face (1d, 2d, 3d, 4d).

10. Manufacturing process and piston ring (1, 2, 3, 3.1, 4), characterized in that it consists of partially nitriding the outer surface of the piston ring (1) while preserving itself free of nitrided layer (13) at least a portion of the inner face (1d, 2d, 3d, 3.1d, 4d).