Selbstspannender Ring und Verfahren zu seiner Herstellung. Gegenstand der Erfindung ist ein selbst spannender Ring, der zweckmässig aus Guss eisen besteht, wenn er zur Abdichtung dient, und aus einem härteren Material, wenn er zum Beispiel zum Schaben von Zylinder flächen verwendet wird. Er kann nach innen spannen, wie beispielsweise in Stopfbüchsen, oder nach aussen, wie beim Einbau in Kol ben.
Erfindungsgemäss hergestellte Ringe eig nen sich nicht nur als Dichtungsringe für die Kolben der verschiedensten Kraftmaschi nen, Kompressoren, Pumpen oder für die Stopfbüchsen hin- und hergehender Stan gen, wie Kolbenstangen oder umlaufender Wellen, sondern sie können vorteilhaft auch als Schabringe dienen, bei denen das Auf rechterhalten eines bestimmten Schabdruckes erforderlich ist. Gegenüber den bekannten Ringen verliert der Ring gemäss der Erfin dung beim Verschleiss die Spannkraft we niger schnell und kann infolgedessen länger im Betrieb bleiben.
Die Erfindung besteht darin, dass der neue- Dichtungsring ursprünglich eine grö- ssere Spannkraft als erforderlich besitzt, die durch eine nachträgliche Oberflächenbehand lung an den Verschleissschichten des Ringes herabgesetzt ist.
Durch die Oberflächenbehandlung kön nen in der Oberschicht ,Spannungen erzeugt werden. Dies kann durch ein Strecken an der Oberschicht, beispielsweise durch Häm mern oder Walzen, besonders aber durch Kerben erreicht werden, die eingeschlagen oder eingewalzt werden. Bei einem Ring, der nach aussen spannen soll, kann die ,Spann- kraft durch Ausscheiden eines Stückes seit einem entsprechend grösseren Ring in be kannter Art erzeugt werden. Dementspre chend auch bei einem Ring, der nach innen spannen soll, wenn er ursprünglich in Schraubenform hergestellt wird. Die Spann kraft des Ringes kann aber auch durch Oberflächenbehandlung oder durch beides er zeugt werden.
Ja es kann jede Behandlung angewandt werden, die eine Spannung der behandelnden Schichten vergrössert oder ver kleinert. Dabei ist zu beachten, dass dieselbe Behandlungsweise je nach dem Werkstoff entgegengesetzt wirken kann. So ist es be kannt, dass Kerbschläge beispielsweise Schmiedeeisenstäbe umgekehrt krümmen wie Gusseisenstäbe. Man kann Kerben der ver schiedensten Form und Richtung mittelst glatter, profilierter oder gerippter 'N,#'alzen erzeugen.
Dem Kolbenring mit überlapptem Stoss wird zweckmässig zunächst eine Spann kraft beigebracht, die durch die Grösse des Ausschnittes von der Länge des überlapp ten Stosses bestimmt ist, so dass sich der Ring an den Enden schliesst. Wird der Kolbenring an der innern Man teloberfläche gestreckt, so erhöht sich die Spannkraft und damit der die Dichtung be wirkende Anpressungsdruck. Wird dieser Ring an der äussern Manteloberfläche ge- streckt, entweder vor oder nach der Strek- kung an der innern Mantelfläche, so ent stehen hierdurch Spannungen, die der Spannkraft entgegenwirken.
Diese muss so gross bleiben, dass sie den Ring zu öffnen bestrebt ist, um denselben an den Z-#linder mit genügendem Druck anzupressen. Zweck mässig wird die Behandlung der beiden Man telflächen gleichzeitig vorgenommen, weil es dann besonders leicht ist, die Spannungen zu beeinflussen.
Erfolgt die Spannung durch Kerben, so können beispielsweise die Kerb tiefe, die Kerbschläge, sowie die Kerbenzahl und die Kerbenabstände so geändert werden, dass die Spannungen an bestimmten Teilen des Ringes besonders gross oder besonders klein werden.
Am intensivsten wird die gegensätzliche Spannungswirkung bezw. die Elastizität des Ringes erhöht, wenn die gegensätzlichen Spannungen bei einem Ring vorgenommen werden, der im spannungslosen Zustand be reits an den freien Enden ganz oder an nähernd geschlossen ist und so einbaufertig erscheint.
Bei einem Ring gemäss der Erfindung wird beim Verschleissvorgang die die Spann kraft des Ringes herabsetzenden Spannungen mit der Schicht, in der sie erzeugt wird, mehr und mehr beseitigt, und hierdurch kommt bei sich allmählich vermindernden radialer Ringstärke die Spannkraft der nicht dem Verschleiss unterworfenen Schieli- ten immer mehr zur Wirkung, so dass sich der Ring im Verhältnis zu seiner radialen Dicke stärker an die Wandung anlegt.
Ein Ring, der an den innern und an den äussern Schichten gestreckt wird, kann fer tiggestellt werden, ohne dass er vorher ge schlitzt wird.
Die Art des Spannungsverlaufes beim verschleissenden Ring ist ganz besonders da von abhängig, welche Tiefenwirkung durch die Streckung in den verschleissenden Schich ten erreicht wird.
Werden durch die Oberflächenbehand lung Kerben an den Mantelflächen des Rin ges erzeugt, so ist es nicht nötig, da.ss diese Kerben völlig beseitigt werden. Es genügt durchaus, wenn die Kerbe nicht auf die ganze Ringbreite durchgeführt ist, so dass hinrei chend grosse unverletzte Leisten unmittelbar an den äussern Kanten der Ringe stehen bleiben. Die Herstellung ist dadurch erleich tert.
Beim Verschleissvorgang verschwinden allmählich diese Kerben. Werden dieselten bei der Fertigstellung des Ringes beseitigt, so muss die dadurch. bedingte Verminderung der durch die Oberflächenbehandlung be wirkten Herabsetzung der Spannkraft des Ringes berücksichtigt werden.
Bei nach aussen spannenden Ringen von grosser radialer Stärke und verhältnismässig geringer Breite wird die Streckung besser nur auf den beiden Ringseiten vorgenommen im äussern Teil, um eine grosse Tiefenwir kung hierdurch zu erzielen.
Die Zeichnung veranschaulicht verschie dene Ausführungsbeispiele des Ringes ge mäss der Erfindung; dabei sind einfachheits- halber an den verschiedenen Teilen der dar gestellten Ringe verschiedene Kombinationen der Spannungserzeugung angedeutet.
In Fig. 1 ist im Abschnitt I eine über das erforderliche Mass hinausgehende Spann kraft nach aussen mittelst eines Ausschnittes zustande gebracht. Diese ist iedocli durch mittelst Strecken der Oberschicht der Aussen- flache a erzeugte Spannungen teilweise auf gehoben. Durch den Ringverschleiss an der Aussenfläche a verschwinden allmählich die der Spannkraft entgegenwirkenden Spannun gen, so dass trotz des Verschleisses lange eine genügende Spannkraft vorhanden ist.
Im Abschnitt II werden sowohl die Spannkraft, als auch die ihr entgegenwir kenden Spannungen durch Strecken der Oberansicht der Mantelflächen des Ringes hervorgerufen. Die Wirkung ist am inten sivsten, wenn die Streckung der Schichten bei einem Ring erfolgt, der an den Enden praktisch geschlossen ist.
Im Abschnitt III ist die Spannkraft teils durch einen Ausschnitt, teils durch Kerb schläge auf der innern Mantelfläche herge stellt. Die ihr entgegenwirkenden Spannun gen sind mittelst Kerben auf die äussere Mantelfläche erzeugt.
Im Abschnitt IV ist die Spannkraft des Ringes nur mittelst eines Ausschnittes her gestellt und die ihr entgegenwirkenden Spannungen durch Kerbenschläge in der äu ssern Mantelfläche eines ursprünglich dik- keren Ringes. Dieser ist dann nachträglich durch Abdrehen oder Abschleifen der äussern Mantelflächen bis zum Verschwinden der Kerben d auf die erforderliche Dicke ge bracht worden, so dass er eine unverletzte Mantelfläche besitzt.
Die durch die Kerbung bis in tiefere Schichten des Ringes greifende Spannungswirkung wird durch dieses nach trägliche Abschleifen bezw. Abdrehen, wo durch die Schicht in der durch die Kerbung Spannungen erzeugt wurden, entfernt wird, nur zum Teil ebenfalls entfernt.
Gemäss Fig. 2 erstreckt sich die Ober flächenbehandlung zwecks Erzeugung von Spannungen im Ring auch auf die Ring stirnflächen.
Im Abschnitt I ist die Spannkraft durch Kerbung der innern Mantelflächen hervor gerufen. Die ihr entgegenwirkenden Span nungen sind durch Kerben f in der äussern Mantelfläche und durch Kerben e in den Ringstirnflächen erzeugt worden, welch letztere Spannungen in Schichten erzeugen können, die beim Verschleiss zum Teil erst später oder gar nicht entfernt werden.
Im Abschnitt II sind die,Spannkraft und die ihr entgegenwirkenden Spannungen le diglich durch Stirnflächenkerbung erzeugt.
Im Abschnitt III sollen die Spannkraft durch einen Ausschnitt und die ihr entgegen wirkenden Spannungen jedoch durch Stirn flächenbehandlung erzeugt werden.
Im Abschnitt IV ist durch verschiedene Länge der Stirnflächenkerben die Tiefe der Schichten, in denen die Spannungen erzeugt werden, aussen und innen verschieden.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer Aus führungsform des Ringes. Die Kerben der an einer Zylinderwand schleifenden Fläche h erstrecken sich nur über einen Teil derselben, so dass noch an beiden Ring kanten ununterbrochen durchlaufende Ring flächen bestehen bleiben. Im Gegensatz da zu erstrecken sich die Kerben i auf. der in- nern Mantelfläche über die ganze Ring breite.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines wei teren Ausführungsbeispiels des Ringes nach der Erfindung. Die eine der beiden Mantel flächen ist -mit zwei Nuten k und die andere mit einer Nut versehen. Die Oberflächen behandlung zwecks Erzielung der Spannun gen im Ring erfolgt teils von der Mantel fläche k des Ringes, teils vor den Stirnflä chen<I>l</I> und<I>m</I> und den Seitenflächen<I>n</I> der Nuten aus.
Fig. 5 zeigt einen H-förmigen Quer schnitt für ein Ausführungsbeispiel des Rin ges gemäss der Erfindung mit ausgerunde- ten Nuten, deren Seitenflächen o und p zur Erzeugung der Spannkräfte bearbeitet sind.
Dichtungsringe mit Querschnittsformen nach den Fig. 4 und 5 bilden labyrinth- ähnlich wirkende Dichtungen. Zweckmässig wird die Nutentiefe gleich der zulässigen Verschleisshöhe des Ringes gemacht.
Fig. 6 zeigt Versuchsergebnisse mit Kol benringen der bekannten Arten einerseits und Kolbenringen gemäss der Erfindung an derseits. Die wagrechte Koordinate zeigt die Ab nahme der radialen Ringdicke und die senk- rechte Koordinate zeigt die spezifische Flä- ,@henpressting während des Versuches, wie sie sich aus Messungen vor und während des Versuches ergeben haben.
Bei den Versuchsringen wurde die Spann kraft in folgender Weise hergestellt: Ring A mittelst eines Ausschnittes, ohne Hämmerung der Flächen; Ring B mittelst eines Ausschnittes und mittelst Hämmerung der innern Mantel- f lächen.
Die Ringe C und D wurden nach der Er findung hergestellt, und zwar mittelst Hä.m- merung der innern und äussern Mantelfläche. V, V1, V= geben die zulässigen Verschleiss stärken für die Ringe<I>A, B</I> und C an.
Die Ringe wurden einem möglichst gleich mässigen Verschleiss der ganzen Umfläche ausgesetzt, so dass die Spannungsverteilung über den ganzen Ring möglichst gleich mässig blieb.
Nimmt man an, da.ss die Ringe schon bei einer spezifischen Flächenpressung von <B>0,125</B> lig@em@ unbrauchbar werden, so tritt die Unbrauchbarkeit des Ringes A bereits bei verhältnismässig geringem radialem Ver schleiss ein. Der Ring B verträgt bis zum Unbrauchbarwerden den doppelten Ver schleiss, während die Ringe C und D erst dann unbrauchbar werden, wenn der Ver schleiss das doppelte bis dreifache oder mehr fache vom Verschleiss des Ringes B aus macht.
Die aus dem Kurvenbild ablesbaren zulässigen Verschleissstärken sind gleich zeitig Bewertungsziffern für die Haltbar keit der Ringe im Dauerbetrieb. Zu beach ten ist, dass der Ring B, gegenüber dem eine zwei- bis dreifache Lebensdauer der Ringe C und D durch die Versuche nachgewiesen ist, den bisher als unübertroffen geltenden besten Ringen entspricht. Gegenüber dem normalen Ring A ergibt sich für die Ringe C und D eine nahezu sechsfache Haltbar keit.
Die Höhe der Elastizität des Ringes hängt allein ab von der jeweiligen Höhe der gegensätzlichen Streckungen, je, höher diese sind, um so höher wird die Lebensdauer des Ringes, bis derselbe seine Spannkraft verliert.
Man kann aus dem Verlauf der Schaulinien sehen, da.ss durch das Aufheben der der Spannkraft entgegenwirkenden Spannungen im Ring durch den Verschleiss nicht- nur ein flacherer Abfall der Flächenpressungslinie, sondern ahn. Anfang sogar noch eine gewisse Steigerung der Flächenpressung ermöglicht werden kann und dass der Abfall erst später eintritt.
Bei solchen Ringen wird die Le bensdauer ganz besonders gross sein, weil bei ihnen der Zeitpunkt, von dem an die all mähliche, innerhalb der zulässigen Grenzen liegende Abnahme der spezifischen Flä chenpressung stattfindet, aussergewöhnlich weit hinausgeschoben ist. Durch Änderung des Kerbwinkels mit der Kerbtiefe kann der Spannungsverlauf in den verschiedenen Schichten und damit der Verlauf der Spann kraft des Ringes während des Verschleisses auch beeinflusst werden.