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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressions-Kolbenring zum
Einsatz in einem Verbrennungsmotor und insbesondere einen Kompressions-Kolbenring
mit niedrigem Spitzendruck (low tip Pressure condition compression
piston ring).
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Hintergrund
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Ein
Kompressions-Kolbenring wird im Allgemeinen nach der Verteilung
von Kontaktdruck in einen Kompressionsring mit hohem Spitzendruck
und einen Kompressionsring mit niedrigem Spitzendruck eingeteilt.
Der Ring mit hohem Spitzendruck weist höheren Kontaktdruck
an einem Spaltabschnitt des Rings als an dem restlichen Teil auf.
Der Ring mit niedrigem Spitzendruck weist an dem Spaltabschnitt des
Rings niedrigeren Kontaktdruck als im restlichen Teil auf. Zwei
Typen von Ring werden unter Berücksichtigung der Arbeitsumgebung
oder der beabsichtigten Funktion selektiv eingesetzt. Der Kompressionsring
mit niedrigem Spitzendruck wird im Allgemeinen in einem Dieselmotor
mit hoher Ausgangsleistung eingesetzt, bei dem es zu starkem Reibungsverschleiß an
dem Spaltabschnitt kommen kann.
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Es
ist auf die Tatsache hingewiesen worden, dass eine Verteilung eines
Kontaktdrucks des Kompressions-Kolbenrings in Bezug auf eine Zylinderbohrung
in Abhängigkeit von einer Umfangsform des Kompressions-Kolbenrings
in seinem unbelasteten Zustand geändert werden kann. Daher
hat ein herkömmlicher Kompressionsring eine einheitliche Querschnittsform
in seiner Umfangsrichtung, weist jedoch eine abweichende Kreisform
auf, um einen gewünschten Kontaktdruck zu erzielen.
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Bei
einem derartigen herkömmlichen Kompressionsring, der gleichmäßigen
Kontaktdruck entlang seines Umfangs aufweist, ändert sich
die Umfangsform des Kompressionsrings weitgehend aufgrund unterschiedlicher
Wärmeausdehnung, die durch die Temperaturdifferenz zwischen
dem Zylinder und dem Kompressionsring verursacht wird, sowie aufgrund
von thermischer Belastung, die in dem Ring aufgrund der Temperaturdifferenz
zwischen der Innenumfangsfläche und der Außenumfangsfläche des
Kompressionsrings auftritt. Dadurch kann der Kontaktzustand zwischen
dem Kompressionsring und der Zylinderbohrung geändert werden,
und insbesondere der Kontaktdruck an dem Spaltabschnitt nimmt aufgrund
einer Zunahme der Betriebstemperatur zu. Daher kommt es zu starkem
Reibverschleiß an der Außenumfangsfläche
des Spaltabschnitts.
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Um
dieses Problem zu lösen, offenbart die
japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 2000-120866 einen Kompressions-Kolbenring, bei dem
eine Innenumfangsfläche des Kompressionsrings mit einem
eingekerbten Abschnitt über eine vorgegebene Länge
am Umfang von dem Spaltabschnitt ausgehend versehen ist.
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Es
sind Hochleistungsmotoren entwickelt worden, um aktuelle Bestimmungen
hinsichtlich Abgasemission und Kraftstoffverbrauch zu erfüllen,
wodurch eine Wärmebelastung des Motors zunimmt. Des Weiteren
führt auch eine Verkleinerung des Motors zu zunehmender
Wärmebelastung. Das heißt, die Verkleinerung kann
erreicht werden, indem der Motorhubraum verringert wird und gleichzeitig
die Ausgangsleistung des Motors durch einen Turbo-Lader bzw. Lader
erhöht wird und zusätzlich Verringerung von Kohlendioxidemission
und geringerer Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Durch das Vorhandensein
des Ladesystems nimmt jedoch die Wärmebelastung zu. Angesichts
des Obenstehenden ist auch höhere Leistung des Kompressions-Kolbenrings
erforderlich, der Beständigkeit gegenüber hohem
Kontaktdruck an dem Spaltabschnitt aufweist. So hat sich beispielsweise
die Ausgangsleistung pro Hubraumeinheit bei aktuellen Benzin- und
Dieselmotoren um 10 kW/l gegenüber dem Motor von vor zehn Jahren
erhöht, d. h., der Zeit, zu der die
japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 2000-120866 ursprünglich eingereicht wurde.
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Zusammenfassung
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In
Anbetracht des Obenstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Kompressions-Kolbenring zu schaffen, mit dem die
Zunahme des Kontaktdrucks an einem Spaltabschnitt unterdrückt
werden kann und der gleichzeitig für einen Hochleistungsmotor
mit hoher Belastung eingesetzt werden kann.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden erfüllt,
indem ein Kompressions-Kolbenring geschaffen wird, der im Allgemeinen kreisförmig
ist und eine Außenumfangsfläche, die in Gleitkontakt
mit einem Zylinder ist, eine Innenumfangsfläche, die einem
Kolben zugewandt ist, und ein Paar Endflächen hat, die
die Kreisform in ihrer radialen Richtung unterbrechen, um einen
Spaltabschnitt auszubilden. Der Kompressions-Kolbenring hat einen
ersten Abschnitt, der einen eingekerbten Abschnitt enthält,
der an der Innenumfangsfläche ausgebildet ist und sich über
einen Abschnitt vorgegebener Länge am Umfang von der Endfläche
ausgehend erstreckt, sowie zusätzlich zu dem ersten Abschnitt einen
zweiten Abschnitt auf. Der zweite Abschnitt hat eine radiale Dicke,
die von 2,0 mm bis 6,0 mm reicht, und der erste Abschnitt hat eine
radiale Dicke, die kleiner ist als die des zweiten Ab schnitts. Der
eingekerbte Abschnitt ist eine plane Form, die die Außenumfangsfläche
allmählich zu der Endfläche führt. Die Endfläche
hat eine radiale Dicke, die 0,2-mal bis weniger als 0,5-mal so groß ist
wie die radiale Dicke des zweiten Abschnitts. Die Außenumfangsfläche
weist eine Mitte f, die als eine Mitte eines Mittenwinkels dient.
Der Abschnitt vorgegebener Länge am Umfang wird durch den
Mittenwinkel definiert, der von 26,5° bis 14° reicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
speziellen Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie andere Aufgaben
werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, wobei:
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1 eine
Teildraufsicht ist, die eine Form eines Teils eines Kompressions-Kolbenrings
darstellt, wobei der Teil einen Spaltabschnitt gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung enthält;
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2 eine
Schnittansicht einer Kontaktdruck-Messvorrichtung zum Messen eines
Kontaktdrucks des Kompressions-Kolbenrings gemäß der Ausführungsform
ist;
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3 eine
grafische Darstellung ist, die Kontaktdruck-Verteilung verschiedener
Typen von Kompressions-Kolbenringen bei einer Kaltbetriebs-Temperatur
zeigt;
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4 eine
grafische Darstellung ist, die Kontaktdruck-Verteilung der verschiedenen
Typen von Kompressions-Kolbenringen bei Warmbetriebs-Temperatur
zeigt;
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5 eine
schematische Teilperspektivansicht ist, die ein Verfahren zum Ausbilden
eines eingekerbten Abschnitts in dem Kompressions-Kolbenring gemäß der
Ausführungsform zeigt;
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6 eine
Teildraufsicht ist, die das Verfahren zum Ausbilden des eingekerbten
Abschnitts in dem Kompressions-Kolbenring gemäß der
Ausführungsform zeigt; und
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7 eine
Teildraufsicht ist, die eine Form eines Teils eines Kompressions-Kolbenrings
darstellt, wobei der Teil einen Spaltabschnitt gemäß einer
abgewandelten Ausführungsform der Erfindung enthält.
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Ausführliche Beschreibung
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Ein
Kompressions-Kolbenring gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben.
Der Kompressions-Kolbenring 1 besteht aus Stahl und ist
im Allgemeinen kreisförmig. Der Ring 1 hat eine
Außenumfangsfläche 3, die in Gleitkontakt
mit einem Zylinder (nicht dargestellt) ist, eine Innenumfangsfläche 4, die
einem Kolben (nicht dargestellt) zugewandt ist, und einen einzelnen
Spaltabschnitt 2, der die Kreisform entlang einer Linie
unterbricht, die in einer radialen Richtung derselben verlauft.
Eine gesamte Oberfläche des Kompressions-Kolbenrings 1 wird Gasnitrier-Behandlung
unterzogen, und eine Lichtbogen-Ionenplattierung der Cr-N-Gruppe
wird als eine hochfeste Abdeckschicht an der Außenumfangsfläche 3 ausgebildet.
Durch die hochfeste Abdeckschicht kann die Haltbarkeit und Verschleißbeständigkeit
verbessert werden. Als Alternativen stehen Lichtbogen-Ionenplattierung
der Cr-B-N-Gruppe oder Hartkarbonbeschichtung zur Verfügung.
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Ein
Abstand zwischen der Außen- und der Innenumfangsfläche 3 und 4,
d. h. eine radiale Dicke des Kompressions-Kolbenrings, ist als "a1" definiert. Des Weiteren ist ein eingekerbter
Abschnitt 4a an einer Seite der Innenumfangsfläche 4a über
eine vorgegebene Länge in Umfangsrichtung von einer Endfläche
des Spaltabschnitts 2a, wie mit einem planen bzw. einem
flachen Bereich A-B in 1 gezeigt, so ausgebildet, dass
der eingekerbte Abschnitt 4a einen Teil der Innenumfangsfläche
bildet. In 1 wird ein Bereich 1a als
ein erster Abschnitt bezeichnet, und ein Bereich 1b wird
als ein zweiter Abschnitt bezeichnet.
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Die
radiale Dicke an dem planen Bereich A-B, d. h. dem ersten Bereich,
ist geringer als die an einem restlichen Abschnitt, d. h. dem zweiten
Bereich 1b. Dabei ist die Position B eine Grenze zwischen dem
eingekerbten Abschnitt 4a von dem Abschnitt vorgegebener
Länge am Umfang und einer kreisförmigen Innenumfangsfläche
an dem verbleibenden Abschnitt außer dem Abschnitt vorgegebener
Länge in Umfangsrichtung.
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Die
radiale Dicke an der Position B und an dem zweiten Abschnitt 1b ist
a1 und reicht von 2,0 mm bis 6,0 mm. Die
radiale Dicke nimmt in Richtung der Position A an der Endfläche,
die den Spaltabschnitt bildet, allmählich ab. Die radiale
Dicke an der Position A ist 0,2-mal bis weniger als 0,5-mal so groß wie
a1. Der plane Bereich A-B erstreckt sich
in einem Bereich von 14° bis 26,5° eines Mittenwinkels,
dessen Mitte mit der Mittelachse der Außenum fangsfläche 3 zusammenfällt.
Dieser Mittenwinkel nimmt mit einer Zunahme der radialen Dicke an
der Endfläche ab, die den Spaltabschnitt 2 bildet.
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Wenn
der Mittenwinkel weniger als 14° beträgt, reicht
der Bereich der Verringerung der Biegesteifigkeit des Kompressions-Kolbenrings
in der radialen Richtung nicht aus, wodurch es zu einer Zunahme
des Kontaktdrucks während der Motor-Betriebsphase kommt.
Wenn hingegen der Mittenwinkel größer ist als
26,5°, liegt der eingekerbte Abschnitt 4a nahe
an der Außenumfangsfläche 3, da ein Abschnitt des
eingekerbten Abschnitts 4a von der Endfläche weg
positioniert ist. Dies führt zu einer Abnahme der mechanischen
Festigkeit, die Bruch des Kompressions-Kolbenrings verursacht.
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Wenn
die radiale Dicke an der Position A geringer ist als 0,2-mal so
groß wie die radiale Dicke a1 an
der Position B, kann die Endfläche, die den Spaltabschnitt
bildet, aus einer Kolbenringnut (nicht dargestellt) herausgelöst
und von der Außenumfangsfläche des Kolbens wegbewegt
werden, wodurch die Gasdichtigkeit abnimmt. Wenn hingegen die radiale Dicke
an der Position A nicht kleiner ist als 0,5-mal so groß wie
die radiale Dicke a1 an der Position B,
reicht das Maß der Verringerung der Biegesteifigkeit nicht aus,
wodurch es zu einer Zunahme des Kontaktdrucks in der Motor-Betriebsphase
kommt. Dementsprechend kann verbesserte Gasdichtigkeit erreicht werden,
lokaler Reibverschleiß kann reduziert werden, und Reißen
oder Ablösen der hochfesten Schicht kann in der Motor-Betriebsphase
vermieden werden, wenn die radiale Dicke an der Position so festgelegt
wird, dass sie 0,2-mal bis weniger als 0,5-mal so groß ist
wie a1. Ein identischer eingekerbter Abschnitt 4a,
der von der anderen Endfläche (in 1 nicht
dargestellt) ausgeht und den Spaltabschnitt 2 begrenzt,
ist ebenfalls ausgebildet.
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2 zeigt
eine Vorrichtung für Experimente bezüglich des
Kontaktdrucks des Kompressions-Kolbenrings. Das heißt,
ein Teil einer Außenumfangsfläche eines Zylinders 101 wurde
graviert, um einen gravierten Abschnitt 101a bzw. dünnsten
Abschnitt 101 zu schaffen, und ein Dehnungsmessstreifen 102 wurde
angebracht. Jedes Testmuster von Kompressions-Kolbenringen, einschließlich
eines Kompressions-Kolbenrings 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform und eines herkömmlichen
Kompressions-Kolbenrings, wurden an einem Kolben 103 angebracht,
um Verformung aufgrund von Kontaktbelastung zu messen, wobei die
Verformung entsprechend dem Kontaktdruck simuliert wurde. Heizeinrichtungen 104 wurden
an einer oberen und einer unteren Endfläche des Kolbens 103 angeordnet,
um den Kompressions-Kolbenring zu erhitzen. Ein Kühlwasser
W wurde auf eine Außenumfangsfläche des Zylinders 101 aufgebracht,
um den Zylinder 101 zu kühlen. Eine Temperaturgra dienten-Verteilung,
die die durch den tatsächlichen Motorbetrieb verursachte Verteilung
simulierte, wurde durch die Heizeinrichtungen 104 und das
Kühlwasser W von dem Kolben 103 an dem Zylinder 101 ausgeübt.
Die Testmuster hatten einen Außendurchmesser von 112,0
mm und eine Dicke a1 von 4,35 mm, und die
Endflächen an den Spaltabschnitten wiesen sieben Abstufungen auf,
d. h. 0,2a1 mit einem eingekerbten Abschnitt (Muster
A), 0,3a1 mit einem eingekerbten Abschnitt (Muster
B), 0,4a1 mit einem eingekerbten Abschnitt (Muster
C), 0,45a1 mit einem eingekerbten Abschnitt (Muster
D), 0,5a1 mit einem eingekerbten Abschnitt (Muster
E), 0,6a1 mit einem eingekerbten Abschnitt (Muster
F) und 1,0a1 ohne eingekerbten Abschnitt (Muster
G). Die Mittenwinkel der Muster A bis G betrugen 20,°,
19,2°, 17,8°, 17,1°, 16,3°,
14,7° bzw. 0°C. Diese Mittenwinkel wurden erzeugt,
indem eine Tangentiallinie an der Position B von dem radial innen liegenden
Ende der Endfläche gezogen wurde, die den Spaltabschnitt
bildet. Die Testmuster A bis D gehörten zu den Kompressions-Kolbenringen
gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
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3 und 4 sind
grafische Darstellungen, die die Beziehung zwischen einem Kontaktdruck
entlang einer Ordinatenachse und einem Winkel zu dem Spaltabschnitt
entlang einer Abszissenachse bei Kaltbetriebs-Temperatur (3)
bzw. Warmbetriebs-Temperatur (4) für
jedes Testmuster A bis G zeigen. "Kaltbetriebs-Temperatur" steht
für die Temperatur, bei der der Motor noch nicht warmgelaufen
ist, so bei der Anlaufzeit des Motors (ungefähr 0°C
bis ungefähr 400°C), und "Warmbetriebs-Temperatur"
steht für die Temperatur, bei der der Motor ab Starten
des Motors ordnungsgemäß warmgelaufen ist (ungefähr
200°C bis ungefähr 250°C).
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Bei
der Kaltbetriebs-Temperatur ist, wie in 3 gezeigt,
der Kontaktdruck an dem Spaltabschnitt des Kompressions-Kolbenrings,
der mit dem eingekerbten Abschnitt versehen ist (Muster A bis F), niedriger
als der des herkömmlichen Kompressions-Kolbenrings (Muster
G), der nicht mit dem eingekerbten Abschnitt versehen ist, wodurch
es zu einer Verringerung des Kontaktdrucks aufgrund der Verringerung
der Biegesteifigkeit kommt. Das heißt, an dem Spaltabschnitt
(Winkel 0°) wies das Muster G einen Kontaktdruck von 0,20
MPa auf während die Muster A bis F einen Kontaktdruck von
ungefähr 0,04 MPa aufwiesen. Dies bedeutet, dass bei den
Mustern A bis F kein Fehlen von Kontakt des Kompressions-Kolbenrings
relativ zu dem Zylinder auftrat.
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Bei
der Warmbetriebs-Temperatur näherte sich, wie in 4 gezeigt,
der Kontaktdruck bei dem Winkel von 90°C bei jedem Muster
ungefähr 0,15 MPa. Jedoch wurde der Kontakt druck an dem
Spaltabschnitt (Winkel 0°) bei Muster G auf 0,75 MPa erhöht,
während der Kontaktdruck bei Muster E 0,50 MPa betrug.
Letzteres Maß reicht nicht aus.
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Bei
Muster D betrug der Kontaktdruck 0,4 MPa, d. h. annähernd
die Hälfte des Kontaktdrucks bei Muster G. Bei den Mustern
A bis C betrug der Kontaktdruck ungefähr 0,3 MPa, d. h.
weniger als bei dem Muster D. Das Verringerungsverhältnis
ist jedoch verglichen mit dem Verringerungsverhältnis der Dicke
der Endflächen, die den Spaltabschnitt bilden, nicht nennenswert.
Dementsprechend sollte eine Dicke an der Endfläche, die
den Spaltabschnitt 2 bildet, in einem Bereich zwischen
0,45a1 und 0,2a1,
und vorzugsweise 0,4a1 bis 0,2a1 liegen,
so dass ein zu starker Anstieg des Oberflächendrucks bei
der Warmbetriebs-Temperatur ausreichend unterdrückt wird. Wenn
der oben beschriebene Bereich ausgewählt wird, kann Gasdichtigkeit
ausreichend gewährleistet werden, und lokaler Reibverschleiß kann
selbst bei den heutigen Verbrennungsmotoren unterdrückt
werden, für die höherer Druck erforderlich ist.
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Bei
den oben beschriebenen Experimenten wurden die Muster A bis G so
gefertigt, dass sie bei der Kaltbetriebs-Temperatur den Kontaktdruck
von ungefähr 0,15 MPa an einem anderen Abschnitt als dem
Spaltabschnitt aufwiesen. Jedoch kann je nach der erforderlichen
Motorleistung ein anderer Kontaktdruckwert als 0,15 MPa ausgewählt
werden.
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Um
den Kompressions-Kolbenring gemäß der Ausführungsform
herzustellen, wird ein Endabschnitt eines Werkstücks 1A in
einer Bogenform ausgebildet, und dann wird eine Dreh-Schneideinrichtung 10,
wie beispielsweise ein Trennschneider, eingesetzt, um den eingekerbten
Abschnitt auszubilden. Die Trennscheibe 10 wird entlang
einer unterbrochenen Linie C geführt, die eine Tangentiallinie
in Bezug auf eine Innenumfangsfläche des gekrümmten
Werkstücks 1A ist. Dadurch kann der Mittenwinkel,
der einen Bereich des eingekerbten Abschnitts definiert, am größten
werden, und die Dicke der Endfläche, die den Spaltabschnitt
bildet, kann verringert werden. Anstelle der Trennscheibe 10 kann
auch eine andere Schneidmaschine, wie beispielsweise eine Elektroerosionsmaschine
und ein Stirnfräser, eingesetzt werden. Darüber
hinaus kann auch Abstechschleifen eingesetzt werden.
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Ein
Kompressions-Kolbenring 1' gemäß einer
modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist in 7 dargestellt. Gemäß der Abwandlung
ist ein abgestufter Abschnitts 104b an einer Grenze zwischen
einer Innenumfangsfläche 4' und einem eingekerbten
Abschnitt 104a so vorhanden, dass der eingekerbte Abschnitt 104a näher
an einer Umfangsfläche 3 angeordnet ist als die
Innenumfangsfläche 4' an der Außenumfangsfläche 3.
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Bei
diesem Aufbau kann die radiale Dicke an dem eingekerbten Bereich 104a reduziert
werden, wodurch die Biegesteifigkeit an dem eingekerbten Abschnitt 104a reduziert
wird. Eine derartige Anordnung bietet sich besonders für
den Kompressionsring mit großer radialer Dicke an.
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Um
den Kompressions-Kolbenring 1 herzustellen, wird die Trennscheibe 10 entlang
einer unterbrochenen Linie C bewegt. Diese Linie C ist verglichen
mit dem in 5 gezeigten Fall für
die Ausbildung des eingekerbten Abschnitts 104a um eine
axiale Dicke 10A der Schleifscheibe 10 zu der
Außenumfangsfläche 3 hin verschoben.
Dadurch entspricht die axiale Dicke 10A der Schleifscheibe 10 einer
Tiefe des eingekerbten Abschnitts 104a.
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Obwohl
die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsformen
beschrieben wurde, liegt für den Fachmann auf der Hand,
dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen daran
vorgenommen werden können, ohne vom Geist der Erfindung
abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000-120866 [0005, 0006]