Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenringe und betrifft einen Ring jener Art, die einen Segmentring, bestehend aus mindestens zwei, überlappende Stoss verschlüsse bildenden Segmenten, und eine ange nähert über den ganzen Innenumfang des Segment ringes sich erstreckende wellenförmige Flachband feder besitzt, welche an Stellen, die im gleichen Ab stand voneinander liegen, auf den Segmentring ein wirkt.
Bei den bekannten derartigen Ausführungen be stehen die Stossfugen aus komplizierten, meist mehr fach ineinandergreifenden unterteilten Segment enden, was den Nachteil hat, dass sich die Enden der einen Stoss bildenden Segmente nicht auseinan der bewegen lassen, ohne dass der Materialquerschnitt an den Stössen ,in unzulässiger Weise geschwächt wird. Bei bisher bekannten Kolbenringen mit Seg- mentring der eingangs genannten Art besteht ferner der Nachteil, dass je Segment eine Feder vorgesehen ist. Bei allen diesen Ausführungen ist jede Feder an ihren Enden in den Enden des zugehörigen Seg mentes gehaltert.
Diese Federn haben lediglich den Zweck, einen gleichmässigen radialen Anpressdruck des Kolbenringes an die Zylinderlaufbahn zu ver mitteln.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, einer seits die geschilderten Nachteile bekannter Stossver schlüsse zu beheben und anderseits den Aufgaben kreis der Feder zu erweitern; sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenringes.
Demgemäss ist der Kolbenring gemäss der Erfin dung dadurch gekennzeichnet, dass die Stossver schlüsse je aus einer überlappung bestehen, die eine in der Umfangsansicht Z-förmige, sich über die ganze radiale Breite des Segmentringes erstreckende Stoss fuge bildet und gegen die zur radialen Abdichtung des Stosses ein Teil der wellenförmigen Feder oder ein von dieser gedrückter Teil sich anpresst. Das Ver fahren zur Herstellüng des Kolbenringes besteht darin, dass die Segmente dadurch hergestellt werden, dass S:
interwerkstoff in dosierter Menge in eine Press- form mit den Dimensionen des Kolbenringsegmentes angepassten Dimensionen eingelegt und einem Druck auf die Aussen-, Innen- oder Schulterflächen unter worfen wird.
Durch die Erfindung wird in der Hauptsache er reicht, dass die Z-Stossverschlüsse in axialer und zu gleich radialer Richtung abgedichtet sind und die Segmente bei richtig dosiertem, überall gleichmässig wirkendem radialem Anpressdruckes in idealer Weise an die Zylinderwandung angedrückt werden.
In der Zeichnung sind rein beispielsweise Aus führungsformen des erfindungsgemässen Kolbenrin ges dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 als erstes Ausführungsbeispiel einen drei Segmente aufweisenden Kolbenring mit der Feder, im Grundriss, Fig. 2 den Ring nach Fig. 1 im Seitenriss, Fig. 3 einen Teil des Ringes im Schaubild, Fig. 4 den Kolbenring einer zweiten Ausführung, in Draufsicht, Fig. 5 in Seitenansicht,
Fig. 6 eine schaubildliche Darstellung eines Tei les des Kolbenringes, Fig. 7 eine Teilansicht eines dritten Ausführungs- beispieles, Fig. 8 eine andere Teilansicht des dritten Aus- führungsbeispieles, Fig. 9 und 10 die Stossstelle eines Kolbenringes nach einer vierten Ausführungsform in schaubild licher Darstellung.
Gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 besteht der Segmentring des Kolbenrin ges aus drei Segmenten 1, 2 und 3 von je 120 Win- kellänge, die mit über ihre ganze radiale Breite sich erstreckenden, sich gegenseitig überlappenden Enden 4, 5 versehen sind (Fig. 2 und 3) und die sich zum Segmentquerschnitt ergänzen.
Zwischen den so ge bildeten Stossverschlüssen, die eine in der Umfangs ansicht Z-förmige, über die ganze radiale Breite des Segmentringes sich erstreckende Stossfuge besitzen, ist an der Innenfläche der Segmente je eine Ausneh- mung <I>la, 2a,</I> 3a angeordnet, von denen jede z. B. eine Länge von etwa 10-20 mm je nach Durchmes ser des Kolbenringes besitzt. Die zum vorliegenden Ausführungsbeispiel des Kolbenringes passende wel lenförmige Bandfeder 7 erstreckt sich über annä hernd den ganzen Innenumfang des @Segmentringes und weist dieselbe oder eine etwas geringere Quer schnittshöhe auf als die Ringsegmente 1, 2 und 3.
Die Feder 7 besitzt sechs zu 60 gegeneinander um fangversetzte Auswölbungen 7a, von denen abwech selnd eine sich in die Ausnehmungen <I>la, 2a,</I> 3a ein passt. Hierdurch werden die Segmente 1, 2 und 3 in zweckentsprechender Weise in ihrer Mitte gegen die Zylinderwand gepresst und zugleich wird die Feder 7 gegen Verschiebung in Umfangsrichtung ge sichert. Es können selbstverständlich auch mehr, z. B. zwölf Anpressstellen der Feder 7 an der Innenfläche des Ringes vorgesehen sein, wobei dann die Feder eine entsprechende Anzahl Auswölbungen besitzt.
Die andern Auswölbungen 7a pressen sich an den Stössen der Segmente gegen diese an, so dass auch an diesen Stellen die Enden der Segmente radial gegen die Zylinderwand gepresst werden. Gleichzeitig bilden die an den Stossstellen angedrückten Auswöl- bungen 7a eine radiale Abdichtung der ersteren. Die Anpresslänge der Federwölbungen 7a an den Stoss stellen entspricht der Festigkeit, welche die Verbin dung zwischen Segmentring und Feder in funktionel ler Weise aufbringen muss.
Diese Länge wird vor zugsweise so gewählt, dass bei all den verschiedenen, einer Feder zugeordneten Kolbenringdurchmessern die Totallänge der Federwölbung bei den Stossstel len dieselbe ist. Damit am Stoss immer für eine ge nügende Überlappung gesorgt ist, auch wenn die Durchmessertoleranz des Kolbenringes einen Milli meter beträgt, kann die Länge der Auswölbung 7a bei den Stossstellen dementsprechend gewählt werden.
Ebenfalls ist das Stossspiel sowie die Ring- und even tuelle Zylinderabnützung sowie auch - die nötige Sicherheitsgrenze für das Bestehenbleiben der über lappung in der gewählten Länge der Auswölbung 7a bei den Stossstellen enthalten. Durch die über den Umfang des Kolbenringes vorgesehenen gleichmässig verteilten sechs Anpressstellen wird ein gleichmässiges Anpressen der Segmente an die Zylinderlaufbahn in Verbindung mit der Beweglichkeit jedes einzelnen Segmentes erreicht.
Daraus ergibt sich praktisch eine ideal runde Spannbandform. Die Anpressdrucke der Kolbenringe werden den jeweiligen Verhältnissen auf einfache Weise angepasst, indem die Matrialdicke der Federn 7 geändert wird.
Diese Tatsache erhält besondere Wichtigkeit bei Motoren mit hohen Kom- pressionsdrücken. Die Anpressfedern 7 sind genau auf die Ringe abgestimmt; demzufolge findet für jede Kolbenringdimension die entsprechende Dimension der Feder bezüglich Durchmesser und Breite Ver wendung.
Das Verfahren zur Herstellung der Ringsegmente beruht auf der Erkenntnis, dass bei Kolbenringseg- menten, aus Sintermetall die komplizierte sogenannte mechanisch-maschinelle Formgebung sowie auch der bedeutende Materialverlust wegfällt. Das Verfahren besteht demgemäss darin, dass Sinterwerkstoff in do sierter Menge in eine sinngemässe Pressform, welche der Segmentdimension angepasst ist, eingelegt wird und einem Druck auf seine Aussen-, Innen- oder Schulterflächen unterworfen wird.
Der Nennaussen durchmesser der Pressform ist zweckmässig gleich dem Aussendurchmesser des einzubauenden Kolbenring Segmentes, also gleich dem Durchmesser des Zylin ders, in welchem der Kolben arbeitet; der Innen durchmesser der Form ist vorteilhaft gleich dem Durchmesser der Kolbennute, vergrössert um den Wert, der dem notwendigen Zwischenraum für die Anpressfeder entspricht. Die Pressform ist demzufolge immer das Negativ eines Kolbenringsegmentes, wel ches z. B. einem runden Kreisabschnitt entspricht.
Für den Fall, dass ein Segment in bewusst unrunde Zylinder eingebaut wird, kann auch die Umfangs kurve des Segmentes bewusst unrund sein und somit auch die Pressform eine bewusst unrunde Umfangs kurve aufweisen. Die Höhe der Pressform entspricht zweckmässig der Höhe des Segmentes; die Pressform kann aber auch höher gewählt werden, damit sich mehrere verschieden hohe Pressformen in demselben Durchmesserbereich erübrigen. Die Höhe des Seg mentes kann durch einfache Schleifbearbeitung auf die Nennhöhe gebracht werden.
Die .Stossverschluss- enden an den Segmenten können ebenfalls in die Pressform einbezogen werden, so dass nach dem Pressvorgang auch keine Nachbearbeitung des Stoss verschlusses mehr erforderlich ist.
Gemäss der zweiten Ausführungsform nach den Fig. 4-6 besteht der Segmentring des Kolbenringes aus drei Segmenten 1, 2 und 3 von je 120 Winkel länge, die mit über ihre ganze radiale Breite sich erstreckenden, sich gegenseitig überlappenden, durch eine Absetzung 4a bzw. 5a gebildeten Enden 4, 5 versehen sind (Fig. 5 und 6), die ein Z-Stossverschluss der oben angegebenen Art ergeben und sich zum Segmentquerschnitt ergänzen.
An die Innenfläche der Segmente 1, 2, 3 ist als Bandeinlage ein Dichtungsring 6 eingelegt, welcher sich annähernd über den ganzen Umfang des Seg- mentkolbenringes erstreckt. Der Dichtungsring 6 weist entweder die gleiche Höhe auf wie die Seg mente oder kann beispielsweise 0,1-0,2 mm nied riger sein. Der dabei entstehende Luftspalt führt praktisch zu keinem spürbaren Gas- und Druckver lust, da sich in ihm schon nach kurzer Betriebsdauer Verbrennungsrückstände, Ölkohle usw. ansetzen und dabei eine dichtende Wirkung ausüben.
Die wellen- förmige Flachbandfeder 7 ist so in den mit dem Dichtungsring 6 versehenen Segmentring 1, 2, 3 ein gelegt, dass sie den Dichtungsring 6 an die Innen fläche der Segmente andrückt. Die Flachbandfeder 7 weist eine grosse Zahl Wellungen auf und drückt dem gemäss mit einer entsprechenden Anzahl Erhöhungen über den Dichtungsring 6 auf den Segmentring 1, 2, 3.
Die Flachbandfeder 7 weist die gleiche oder eine etwas geringere Höhe auf als die Ringsegmente 1, 2 und 3; sie weist zweckmässigerweise die gleiche Höhe auf wie der Dichtungsring 6, welcher zweck mässigerweise aus Blechband besteht. Das Federband 7 und der Dichtungsring 6 können als getrennte Organe im Segmentring 1, 2, 3 eingesetzt sein; sie können aber auch zu einer Einheit verbunden im Segmentring Platz nehmen. Im letzteren Falle ist die Flachbandfeder an einem ihrer Enden mit dem einen Ende des Dichtungsringes fest z. B. durch Schweissen verbunden, wie z.
B. bei 8 angegeben (Fig. 4).
Der Dichtungsring 6, welcher zwischen den Kol- benringsegmenten 1, 2, 3 und der Flachbandfeder 7 eingeschaltet ist, dient zur radialen Abdichtung der Stossverschlüsse der Segmente 1, 2, 3. Die mit zahl reichen Wellungen versehene Feder 7 wirkt über den Dichtungsring 6 auf die Ringsegmente 1, 2, 3.
Das Einlegen der Feder 7 erfolgt unabhängig von irgend welchen bestimmten Stellungen in bezug auf den Kolbenringumfang. Feder 7 und Dichtungsring 6 kön nen demzufolgebeliebig indie Segmente eingesetzt wer den, nur ist dabei zu beachten, dass jdie Enden des Dich tungsbandes 6, die sich nicht berühren, nicht an eine Stossstellle des Segmentringes zu liegen kommen. Die zahlreichen Wellen bzw. Erhöhungen der Flach bandfeder 7 über einen über den Umfang des Kol benringes gleichmässig verteilten Druck aus, was be sonders bei ausgelaufenen (ovalen und/oder koni schen) Zylindern von besonderer Bedeutung ist.
Gegenüber den bekannten Ausführungen von Kol benringen mit eingelegten welligen Flachbandfedern werden Vorteile hinsichtlich besserem Wirkungsgrad und grösserer Wirtschaftlichkeit erzielt.
Gemäss der Darstellung nach den Fig. 7 und 8 besteht die Bandeinlage anstatt aus einem einzigen Ring aus Ringstücken 6a, 6b und 6c, die an den drei Stossstellen der Segmente 1, 2, 3 von innen gegen diese durch die Feder 7 angedrückt werden. Diese Ringstücke 6a, 6b und 6c sind so lang, dass sie min destens die überlappungen 4, 5 der Segmente 1, 2, und 3 radial abdecken bzw. abdichten.
Die Band- bzw. Ringstücke 6a, 6b und 6c sind je mit der Feder 7 verbunden, z. B. angeschweisst, vernietet oder sonst befestigt. Gemäss der Darstel lung nach Fig. 7 ist das Ringstück 6c mit dem einen Ende der Feder 7 verbunden, während die andern Ringstücke 6a und 6b (Fig. 8) mit mindestens einer Erhöhung der Feder 7 verbunden sind.
In dem Beispiel nach Fig. 9 und 10 bezeichnen 1 und 2 wieder zwei Segmente, und 4, 5 die sich gegenseitig überlappenden Enden. Mit 6a ist wieder ein Dichtungsringstück bezeichnet, für dessen Auf nahme, im Gegensatz zum vorbesprochenen Beispiel, in den Kolbenringsegmenten 1, 2 eine Aussparung 1 b bzw. 2b vorgesehen ist.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung von Kolbenringen mit Anpressfeder sowie durch das Ver fahren werden im wesentlichen die folgenden Vor teile erreicht: 1. Der Stossverschluss ist sehr einfach gestaltet, wodurch die bekannten, in fabrikatorischer und funk tioneller Hinsicht komplizierten Stossverschlüsse ver mieden werden.
2. Der Stossverschluss kann den Gasen und dem öl den Durchlass sowohl in axialer als auch radialer Richtung vollständig verwehren.
3. Durch den vorgeschlagenen Stossverschluss ist der Kolbenring an seiner kritischsten Stelle auf ein Minimum geschwächt.
4. Durch die Aufteilung des Segmentringes in Zusammenwirkung mit der auf den ganzen Ringum fang gleichmässig wirkenden Feder wird die ovale Abnutzung der Zylinderlaufbahn auf ein Minimum herabgesetzt.
5. Mit dem in einzelne Teilstücke unterteilten Ring wird auch die Ringzone des Kolbens mit zur Führung im Zylinder herangezogen, da sich die in der Nute liegende gewellte Flachbandfeder einer seits auf dem Nutengrund und anderseits auf der Segmentinnenfläche bzw. einem Zwischenteil abstützt.
6. Zudem ergeben sich aus dem vorerwähnten Grunde zwischen Kolben, Ring und Zylinder Ver hältnisse, die sich für diese Teile in besseren ther mischen Betriebsverhältnissen auswirken.
7. Die vorgeschlagene Bauart bietet die Möglich keit, die Kolbenringe im Durchmesser zu normali sieren, indem die Kolbenringe von 50-130 mm je z. B. in einem Durchmesserbereich von einem Milli meter verwendbar sind.
Daraus geht hervor, dass man je Durchmesser bereich weniger Dimensionen im Hinblick auf verschie dene Durchmesser und Höhen braucht. Die gleiche Einsparung kann ebenfalls je Zolldurchmesser erreicht werden. Daraus resultiert eine Reduktion der Dimen sionen bei derartigen Kolbenringen, z. B. auf einen Viertel gegenüber den konventionellen Ringen. Dies ist wirtschaftlich von grosser Bedeutung, denn gegen über 2500 Dimensionen der bisherigen Ringe sind z. B. nur 600 Dimensionen beim vorliegenden Kol benring vonnöten, was eine grosse Reduktion und Vereinfachung der Lagerhaltung ermöglicht, was sich vor allem wiederum im Reparaturgewerbe auswirkt.
B. In der Praxis erhält die vorgeschlagene Kol- benringkonstruktion ihre volle Bedeutung, indem Motoren bei oval bzw. konisch gewordenen Zylinder- laufbahnen ohne das teure Zylinderschleifen bzw. Zylinderersetzen sowie ohne Auswechseln der Kol ben nur durch Verwendung von Kolbenringen der erfindungsgemässen Art auf wirkungsvollste Weise revidiert werden können. 9.
Gegenüber dem Herstellungsverfahren durch mechanische Formgebung unterscheidet sich das Ver fahren gemäss vorliegender Erfindung dadurch, dass die Fabrikation der Kolbenringsegmente auf eine wirtschaftlich rationelle Grundlage gestellt ist, in dem die Herstellung in einem Arbeitsgang mit einer Vorrichtung ausgeführt werden kann. Die Leistungs fähigkeit in der Fabrikation ist somit vollauf gewähr leistet, da auch der Materialverlust auf ein Minimum gesenkt oder gar ganz vermieden werden kann.
Durch die bessere Gefügeausbildung sowie die homogenere Struktur des -Sintermaterials gegenüber Schleuderguss wird mit diesem Verfahren eine merkliche Verbes serung in der Materialqualität erreicht.