DE102007057956A1

DE102007057956A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings sowie Kolbenring

Info

Publication number: DE102007057956A1
Application number: DE102007057956A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Ißler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-12-01
Filing date: 2007-12-01
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, wobei durch Ausstanzen Abschnitte (13; 13a, 13b, 13c) gebildet werden, die durch einen Steg (11) verbunden sind und Mantelflächen (14; 14a, 14b, 14c) zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche (17) aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) beim Ausstanzen des Metallfederbandes bogenförmig ausgebildet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Kolbenring (10), der sich dadurch auszeichnet, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) bogenförmig gestanzt ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, wobei durch Ausstanzen Abschnitte gebildet werden, die durch einen Steg verbunden sind und Mantelflächen zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband welches Abschnitte aufweist, die durch einen Steg verbunden und zu einem radial nach außen offenen U-förmigen Querschnitt gebogen sind sowie Mantelflächen zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche aufweisen.
Kolbenringe sind in umlaufende Kolbenringnuten aufgenommen, die in der Mantelfläche eines Kolbens eingearbeitet sind. Kolbenringe haben in einem Verbrennungsmotor die Aufgabe, den Verbrennungsraum gegenüber dem Kurbelgehäuseraum abzudichten und den Wärmefluss vom Kolben zum Zylinder zu gewährleisten. Eine zusätzliche Aufgabe besteht darin, das für die Schmierung nicht benötigte Öl an seinem Durchtritt vom Kurbelgehäuseraum zum Verbrennungsraum zu hindern und für einen gleichmäßigen Ölfilm auf der Zylinderlauffläche zu sorgen. Dazu ist es notwendig, dass die Kolbenringe an der Zylinderlauffläche und an der Flanke der Kolbennut anliegen. Die radiale Anlage an der Zylinderlauffläche wird im Allgemeinen durch die eigene Federkraft des Kolbenrings bewirkt.
Diese Aufgabe wird besonders gut durch so genannte „U-Flex-Kolbenringe" erfüllt, wie sie bspw. in der EP 1 369 626 A2 beschrieben sind. Die Mantelflächen der Abschnitte derartiger Kolbenringe erfordern bei der Herstellung allerdings eine aufwändige Läpp- und Schleifbearbeitung. Außerdem benötigen derartige Kolbenringe während des Motorbetriebs eine vergleichsweise lange Einlaufzeit.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines gattungsgemäßen Kolbenrings bereitzustellen sowie einen gattungsgemäßen Kolbenring derart weiterzubilden, dass während des Motorbetriebs seine Einlaufzeit verkürzt ist.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Kolbenring mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Mantelfläche jedes Abschnitts beim Ausstanzen des Metallfederbandes bogenförmig ausgebildet wird. Dementsprechend ist beim erfindungsgemäßen Kolbenring die Mantelfläche jedes Abschnitts bogenförmig gestanzt ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, dass der im Stand der Technik notwendige Arbeitsschritt des Lappens bzw. Schleifens der Mantelfläche wesentlich reduziert wird oder sogar ganz wegfällt. Es ist nunmehr nicht mehr notwendig, in diesem Arbeitsgang die bisher erforderliche Anpassung der Kontur der Mantelfläche an die Rundung der Zylinderlauffläche vorzunehmen. Nur dann, wenn eine Oberflächenfeinbearbeitung gewünscht ist, könnte ein derartiger Arbeitsgang mit deutlich reduziertem Aufwand beibehalten werden.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kolbenring hat gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kolbenringen den großen Vorzug, dass bereits beim Einlaufen während des Motorbetriebs ein optimaler tribologischer Kontakt zwischen den Mantelflächen der Abschnitte des erfindungsgemäßen Kolbenrings und der Zylinderlauffläche besteht. Damit wird nicht nur der Einlaufprozess deutlich verkürzt, sondern der optimale tribologische Kontakt sorgt auch für einen sicheren, weniger störanfälligen Motorbetrieb, da die erfindungsgemäßen Kolbenringe die ihnen zugedachten Aufgaben hinsichtlich Abdichtung und Schmierung von Beginn an optimal erfüllen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Mantelflächen der einzelnen Abschnitte können so ausgebildet sein, dass ihr bogenförmiger Vorlauf exakt der Rundung der ihnen zugeordneten Zylinderlaufflächen entspricht. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Bogenform der Mantelfläche auch um bis zu ±20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche abweichen, ohne dass die erfindungsgemäßen vorteilhaften Effekte wesentlich beeinträchtigt werden.
Der die einzelnen Abschnitte verbindende Steg kann mit Aussparungen versehen sein, um die Flexibilität des Metallfederbands zu erhöhen und das Biegen zum fertigen Kolbenring zu erleichtern. Die Aussparungen können in besonders vorteilhafter Weise mit abgerundeten Ecken gebildet werden, um die während des Motorbetriebs auftretenden Belastungen zu reduzieren und Rissbildungen zu vermeiden. Als besonders wirksam hat sich dabei eine Ausbildung abgerundeten Ecken in Form zweier unterschiedlicher, ineinander übergehender Radien R1 und R2 ergeben. Diese Form kann, wenn dies gewünscht ist, weiter optimiert werden, indem die Radien R1 und R2 so gebildet werden, dass das Verhältnis von R1 zu R2 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbenrings besteht darin, dass der Steg mit senkrecht zur Längsachse des Stegs angeordneten schlitzförmigen Aussparungen versehen wird, wodurch eine besonders hohe Flexibilität erzielt wird.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenrings kann insbesondere ein Stahlfederband verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Kolbenring wird insbesondere als Ölabstreifring verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 eine Abwicklung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbenrings mit teilweise aufgebogenen Abschnitten;
2 eine Draufsicht auf den fertig gebogenen Kolbenring aus 1;
3 eine Teildarstellung von Abschnitten des erfindungsgemäßen Kolbenrings aus 1 in tribologischem Kontakt zu einer Zylinderlauffläche;
4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 1;
5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 1;
6 eine vergrößerte Darstellung einer abgerundeten Ecke einer Aussparung im Steg des Kolbenrings aus 1.
Die 1, 4 und 5 zeigen den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbenrings 10. Der Kolbenring 10 weist einen Steg 11 auf, der im Ausführungsbeispiel über seine Länge mit in regelmäßigen Abständen angeordneten Aussparungen 12 versehen ist. Die Aussparungen 12 sind im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Längsachse L des Stegs 11 angeordnet und schlitzförmig ausgebildet. Andere geeignete und je nach den Anforderungen des Einzelfalls ausgebildete Formen der Aussparungen 12 sind selbstverständlich denkbar. Zu beiden Seiten des Steges 11 sind einzelne lappenförmige Abschnitte 13 ausgebildet. Die Abschnitte 13 weisen Mantelflächen 14 auf, die erfindungsgemäß bogenförmig ausgebildet sind. Wie insbesondere aus den 4 und 5 ersichtlich ist, sind die Abschnitte 13 beim fertigen Kolbenring 10 derart aufgebogen, dass sich ein im Wesentlichen U-förmiger Querschnitt ergibt, wobei die sich auf beiden Seiten des Stegs 11 gegenüberstehenden Abschnitte 13 parallel zueinander verlaufen. Die nun radial nach außen gerichteten Mantelflächen 14 stellen somit die tribologischen Kontaktflächen zu einer dem Kolbenring 10 zugeordneten Zylinderlauffläche dar. In 1 ist auf beiden Seiten des Stegs 11 nur jeder Abschnitt 13 um 90° gegenüber dem Steg 11 aufgebogen dargestellt, um eine übersichtliche Darstellung zu erhalten.
Der erfindungsgemäße Kolbenring 10 wird aus einem Metallfederband, vorzugsweise einem Stahlfederband, ausgestanzt, wobei die Mantelflächen 14 erfindungsgemäß bereits ihre bogenförmige Kontur erhalten. Nach dem Ausstanzen wird das Metallfederband in an sich bekannter Weise gebogen und einzelne Kolbenringrohlinge abgetrennt, die je nach den Anforderungen des Einzelfalls in an sich bekannter Weise fertig bearbeitet werden. Dabei werden die Abschnitte 13 um 90° gegenüber dem Steg 11 aufgebogen, so dass der Kolbenringrohling den im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt erhält. Die bereits nach dem Ausstanzen mit der bogenförmigen Kontur versehenen Mantelflächen 14 können zusätzlich mit einer tribologischen Schicht versehen und/oder einer Oberflächenfeinbearbeitung unterzogen werden.
2 zeigt den fertig gebogenen Kolbenring 10 aus 1. Es ist zu erkennen, dass die einzelnen, sich auf beiden Seiten des Stegs 11 gegenüber liegenden Abschnitte 13 „auf Lücke" angeordnet sind. Das bedeutet, dass ein Abschnitt 13 auf einer Seite des Stegs 11 einer Lücke 15 auf der gegenüber liegenden Seite des Stegs 11 gegenüberliegt. Die Lücken 15 werden dabei durch zwei auf derselben Seite des Stegs 11 einander benachbarten Abschnitte 13 gebildet. Die freien Enden des Kolbenrings bilden in an sich bekannter Weise einen Stoß 16.
3 zeigt einen Ausschnitt des Kolbenrings 10 aus 1 im Zusammenspiel mit der Zylinderlauffläche 17 eines Zylinders 18 eines Verbrennungsmotors. Dabei ist der Kolbenring 10 in an sich bekannter Weise in einer Kolbenringnut eines im Zylinder 18 auf und ab bewegbaren Kolbens gehalten (nicht dargestellt). Die Mantelflächen 14 der Abschnitte 13 des Kolbenrings 10 sind zur Veranschaulichung verschiedener denkbarer Ausführungen mit unterschiedlich ausgestalteten bogenförmigen Konturen dargestellt. Ein Abschnitt 13a weist eine Mantelfläche 14a auf, deren bogenförmige Kontur im Wesentlichen mit der Kontur der Zylinderlauffläche 17 übereinstimmt. Ein Abschnitt 13b ist mit einer Mantelfläche 14b versehen, bei der die Krümmung der bogenförmigen Kontur stärker ausgebildet ist als die Krümmung der Zylinderlauffläche 17. Ein Abschnitt 13c weist eine Mantelfläche 14c auf, bei der die Krümmung der bogenförmigen Kontur schwächer ausgebildet ist als die Krümmung der Zylinderlauffläche 17. Die Abweichung kann bis zu ±20% bezogen auf die Krümmung der Zylinderlauffläche 17 betragen.
6 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Ecken der im Steg 11 ausgebildeten Aussparungen 12. Die Aussparungen 12 sind mit abgerundeten Ecken 19 versehen, um die während des Motorbetriebs auftretenden Belastungen zu reduzieren und Rissbildungen oder Plastifizierungen zu vermeiden. Dabei sind im Ausführungsbeispiel die abgerundeten Ecken 19 in Form zweier unterschiedlicher, ineinander übergehender Radien R1 und R2 ausgebildet. Die Radien R1 und R2 sind so bemessen, dass das Verhältnis des Radius R1 zum Radius R2 etwa 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt. Damit werden die auf den Steg 11 des Kolbenrings 10 wirkenden Kräfte gleichmäßiger verteilt und abgeleitet, als dies bei Aussparungen mit scharfen Ecken oder gleichmäßigem Radius der Fall wäre, so dass Rissbildungen im Steg 11 oder Plastifizierungen im motorischen Betrieb und ein daraus resultierender Verlust der Ringvorspannung vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1369626 A2 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, wobei durch Ausstanzen Abschnitte (13; 13a, 13b, 13c) gebildet werden, die durch einen Steg (11) verbunden sind und Mantelflächen (14; 14a, 14b, 14c) zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche (17) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) beim Ausstanzen des Metallfederbandes bogenförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14b) so ausgebildet wird, dass die Bogenform der Mantelfläche (14b) um bis zu +20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche (17) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14c) so ausgebildet wird, dass die Bogenform der Mantelfläche (14c) um bis zu –20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche (17) abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit Aussparungen (12) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit senkrecht zur Längsachse (L) des Stegs (11) angeordneten schlitzförmigen Aussparungen (12) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) mit abgerundeten Ecken (19) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Ecken (19) aus zwei unterschiedlichen, ineinander übergehenden Radien R1 und R2 gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien R1 und R2 so gebildet werden, dass das Verhältnis von R1 zu R2 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlfederband verwendet wird.
Kolbenring (10), herstellbar nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Kolbenring (10) für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, welches Abschnitte (13; 13a, 13b, 13c) aufweist, die durch einen Steg (11) verbunden und zu einem radial nach außen offenen U-förmigen Querschnitt gebogen sind sowie Mantelflächen (14; 14a, 14b, 14c) zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche (17) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) bogenförmig gestanzt ausgebildet ist.
Kolbenring nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenform der Mantelfläche (14b) um bis zu +20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche (17) abweicht.
Kolbenring nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenform der Mantelfläche (14c) um bis zu –20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche (17) abweicht.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit Aussparungen (12) versehen ist.
Kolbenring nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit senkrecht zur Längsachse des Stegs angeordneten schlitzförmigen Aussparungen (12) versehen ist.
Kolbenring nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) mit abgerundeten Ecken (19) versehen sind.
Kolbenring nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Ecken (19) aus zwei unterschiedlichen, ineinander übergehenden Radien R1 und R2 gebildet sind.
Kolbenring nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von R1 zu R2 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Stahlfederband hergestellt ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 10 bis 19, nämlich ein Ölabstreifring.