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Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, mit einer radial äußeren Lauffläche, einer einem Brennraum zugewandten oberen und einer einem Ölraum zugewandten unteren Flankenfläche, einer inneren Umfangsfläche sowie einem Stoßbereich.
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Kolbenringe werden vielfach mit Reibpartnern, beispielsweise in Form von Zylinderlaufbuchsen, in Wirkverbindung gebracht. Insbesondere bei harten und rauen Oberflächenbeschichtungen der Kolbenringe stellt sich ein erhöhter Verschleiß der Gegenlauffläche des Reibpartners ein, so dass hier nur eine geringe Standzeit gegeben ist.
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Dem könnte dadurch entgegengewirkt werden, dass die Rauheit der Laufflächenbeschichtung der Kolbenrings, beispielsweise durch Läppen, Polieren oder dergleichen, reduziert wird, oder aber eine Optimierung der Werkstoffpaarungen der Zylinderlaufbuchse und der Laufflächenbeschichtung herbeigeführt wird. Beide Maßnahmen sind kostenintensiv und bieten somit keinen Ansatz, um die Standzeit der Zylinderlaufbuchse zu erhöhen.
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Die
DE 2619485 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Kolbenringen, bei welchem in die Lauffläche eines Kolbenringpakets umlaufende Nuten eingebracht werden, in welchen durch elektrolytisches Niederschlagen eine Chromschicht eingebracht wird, die im Anschluss an das Auftragen bis auf den Grundwerkstoff wieder abgetragen wird. Demzufolge ist lediglich die jeweils umlaufende Nut eines einzelnen Kolbenrings mit einer verschleißfesten Schicht versehen, während die übrigen Flächenbereiche dem Grundwerkstoff des Kolbenrings entsprechen.
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Der
DD 214657 ist ein Kolbenring für eine Brennkraftmaschine zu entnehmen, wobei der Kolbenring aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung besteht und die Lauffläche mit Ausnahme der Randzonen mit Hilfe eines Lasers oder Elektronenstrahls eine Wärmebehandlung und Gefügeveränderung erfahren hat. Die Lauffläche des Kolbenrings weist eine strukturierte Oberflächenhärtung in Form der Anordnung von mehreren, sich in Achsrichtung des zugehörigen Kolbenrings abwechselnden, gehärteten und ungehärteten Ringzonen auf.
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Durch die
DE 101 34 736 A1 ist eine Maschine mit wenigstens einer Gleitfläche sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche bekannt geworden. Die Maschine ist vorzugsweise ein Zweitaktgroßdieselmotor mit wenigstens einer Gleitfläche, die gegenüber dem Grundmaterial härtere Bereiche aufweist, wobei diese härteren Bereiche zumindest teilweise als verformungsgehärtete, über die Gleitfläche verteilte Deformationszonen ausgebildet sind. Derartige Deformationszonen sind ausschließlich im Bereich der Flankenflächen vorgesehen.
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Allgemein bekannt ist, dass die Laufflächen von Kolbenringen vollflächig, z. B. mit einer PVD-Schicht als Verschleißschutz versehen werden. Da das Kolbenringgrundmaterial (Gusseisen oder Stahl) einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als die PVD-Schicht, kommt es zum so genannten Bimetalleffekt. Bei Erhitzung des Motors dehnt sich der Grundkörper deutlich stärker aus als die PVD-Schicht. Aufgrund dieser Längenveränderung kommt es dazu, dass die Stoßenden nach außen drücken, es somit zum so genannten Stoßbeißen kommt. Die Stoßenden werden demzufolge viel stärker belastet als der Rest des Kolbenringumfangs. Die PVD-Schicht verschleißt wesentlich stärker in der Nahe des Stoßes, so dass auch eine Fressgefahr nicht ausgeschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lauffläche eines Kolbenrings dahingehend weiterzubilden, dass einem erhöhten Verschleiß im Stoßbereich des Kolbenrings entgegengewirkt wird. Zur Erhöhung der Standzeit und gleichzeitigen Reduzierung der im Stoßbereich wirkenden Kräfte soll eine Modifizierung der Lauffläche des Kolbenrings herbeigeführt werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass, in Umfangsrichtung gesehen, im Wesentlichen die gesamte Lauffläche mit einer Vielzahl von lokalen Ausnehmungen vorgebbarer geometrischer Kontur versehen ist, die mit einem verschleißfesten Werkstoff gefüllt sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Mit dem Erfindungsgegenstand werden somit nur definierte lokale Bereiche der umlaufenden Lauffläche des Kolbenrings beschichtet. Abweichend zum Stand der Technik werden somit nicht mehr, über den Umfang gesehen, vollständig umlaufende verschleißfeste Bereiche, sondern lediglich partielle Stützstellen gebildet, an welchen der Kolbenring mit dem jeweiligen Reibpartner, beispielsweise einer Zylinderlaufbuchse, in Wirkverbindung steht. Durch diese Maßnahme tritt lediglich an den definierten Stellen der Lauffläche ein möglicherweise erhöhter Verschleiß des Reibpartners auf und die Standzeit der Reibpartner wird erhöht.
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Es wird somit eine verschleißfeste Schicht, insbesondere eine PVD-Schicht, vorgeschlagen, die nicht die gesamte Lauffläche des Kolbenrings umschließt, sondern nur in lokalen Ausnehmungen (Patches) vorhanden ist. Da sich die PVD-Patches untereinander nicht abstützen, kann der Bimetalleffekt nicht in gleicher Weise zur Wirkung kommen, als wenn die PVD-Schicht als kompletter Mantel die Lauffläche des Kolbenrings umschließen würde. Infolge der an beliebigen Stellen auf gedachten Linien angeordneten Patches kommt es, in Umfangsrichtung gesehen, zu Überlappungen der Patches, so dass ein jedes Ringsegment mit einem Mindestanteil einer PVD-Schicht belegt ist. Auf diese Weise kann es zu keinen Unstetigkeitsstellen kommen (Gefahr des Knickens). Diese Patches sind hierbei so vorzusehen, dass sie sich geometrisch zwar überlappen, jedoch einen definierten Abstand zueinander aufweisen.
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Die geometrische Form der jeweiligen Ausnehmung hängt hierbei vom jeweiligen Verfahren zur Einbringung derselben in die Lauffläche ab. Denkbar sind Bearbeitungen der Lauffläche mit einem Schlitzfräser, oder Laser. An weiteren verschleißfesten Werkstoffen können die im Stand der Technik bekannten Werkstoffe, wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder dergleichen, eingesetzt werden.
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Die Art der Ein-, respektive Aufbringung, der verschleißfesten Schicht in die jeweilige Ausnehmung kann sich ebenfalls am Stand der Technik orientieren.
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Da erfindungsgemäß lediglich die mit Ausnehmungen versehenen Abschnitte der Lauffläche des fertig bearbeiteten Kolbenrings mit einer verschleißfesten Schicht versehen sein sollen, werden gegebenenfalls vorhandene Materialüberstände des vorab vollflächig aufgebrachten verschleißfesten Werkstoffs bis auf den Grundwerkstoff der Lauffläche abgetragen. Somit verbleibt der verschleißfeste Werkstoff lediglich innerhalb der Ausnehmungen.
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In Abhängigkeit vom gewählten Verfahren zur Einbringung der Ausnehmungen in die Lauffläche können radiale Tiefen im Bereich zwischen > 0 und 1 mm erzeugt werden. Je nach ausgewählter Beschichtung können Materialüberstände der verschleißfesten Schicht, beispielsweise durch Lappen, Bürsten oder Schleifen abgetragen werden.
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Der jeweilige Kolbenring kann aus unterschiedlichen Grundwerkstoffen bestehen. So können beispielsweise Stahlwerkstoffe mit der Werkstoffnummer 1.4112 (aus Stahldraht gewickelter Kolbenring) eingesetzt werden. Ebenfalls denkbar sind Stahlwerkstoffe mit der Werkstoffnummer 1.4109.
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Alternativ sind auch Kolbenringe aus Stahlguss oder Kolbenringe aus Gusseisen mit Kugelgraphit denkbar.
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Vorteilhafte weitere verschleißfeste Werkstoffe sind PVD-Schichten, insbesondere auf Basis von CrN mit Sauerstoff.
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Alternativ können auch PVD-Viellagenschichten aus CrN und Aluminiumnitrid-Einzellagen eingesetzt werden.
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Als geometrische Formen für die Ausnehmungen bieten sich unter anderem zylindrische Formen oder Halbkugeln mit Tiefen/Durchmessern von 0,01 bis 0,8 mm an.
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Alternativ sind auch Schlitze vorgebbarer Breite und Länge denkbar.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
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1 Perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;
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2 Möglicher Arbeitsablauf zur Erzeugung der verschleißfesten Schicht auf der Lauffläche eines Kolbenrings.
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1 zeigt einen Kolbenring 1 in perspektivischer Darstellung. Der Kolbenring 1 beinhaltet eine radial äußere Lauffläche 2, eine radial innere Umfangsfläche 3, eine, einem nicht weiter dargestellten Brennraum zugewandte obere Ringflanke 4, eine, einem nicht weiter dargestellten Ölraum zugewandte untere Ringflanke 5 sowie einen Stoßbereich 6. Der Kolbenring 1 besteht in diesem Beispiel aus einem Grundwerkstoff, beispielsweise einem Gusseisen mit Kugelgraphit oder Stahl. Erfindungsgemäß sind im Bereich der gesamten Lauffläche 2 lokale Ausnehmungen 7 eingebracht, die, Stützstellen bildend, mit einer verschleißfesten Schicht 8 ausgefüllt sind. Als verschleißfeste Schicht 8 soll in diesem Beispiel eine PVD-Schicht auf Basis von CrN mit Sauerstoff angenommen werden. Wie dargestellt, sollen in diesem Beispiel die Ausnehmungen 7 etwa zylindrisch sein und eine Tiefe von 0,03 mm haben, wobei dies nur beispielhaft ist.
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In diesem Beispiel sind die Ausnehmungen 7 über den gesamten Umfang der Lauffläche 2 des Kolbenrings 1 eingebracht (siehe Pfeile). Der besseren Übersicht halber ist nur ein Teilbereich der Lauffläche 2 mit Ausnehmungen 7 versehen. Je nach Reibpartner, beispielsweise einer ebenfalls nicht dargestellten Zylinderlaufbuchse, kann es sinnvoll sein, geometrisch unterschiedliche Ausnehmungen 7 im Umfangsbereich der Lauffläche 2 vorzusehen.
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In 1 angedeutet ist eine gedachte Linie a-a, die an beliebiger Stelle des Kolbenringumfangs angeordnet sein kann. In der gewählten Darstellung sind auf der gedachten Linie a-a mehrere Ausnehmungen 7 positioniert. Die gedachte Linie a-a verläuft in diesem Beispiel geneigt zwischen den beiden Flankenflächen 4 und 5.
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An einer anderen Stelle des Kolbenringumfangs ist eine weitere gedachte Linie a-a dargestellt, die in dieser Darstellung vertikal, d. h. unter einem Winkel von 90°, zwischen den Flankenflächen 4 und 5 verläuft.
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2 zeigt einen möglichen Arbeitsablauf zur Erzeugung der in 1 auf der Lauffläche vorgesehenen verschleißfesten Schicht. Das obere Bild (a) zeigt einen Grundkörper 1', der – wie in 1 angegeben ist – aus Gusseisen mit Kugelgraphit oder Stahl bestehen kann. Der Grundkörper 1' kann beispielsweise mittels Formdrehen erzeugt werden.
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Das zweite Bild (b) zeigt, abweichend zu 1, andersartig ausgebildete Ausnehmungen 7', die beispielsweise durch Laserstrukturierung erzeugt werden können. Die Tiefe der Ausnehmungen 7' soll hierbei zwischen 10 und 30 μm betragen.
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Das dritte Bild (c) zeigt den Grundkörper 1' mit Ausnehmungen 7', wobei die gesamte Lauffläche 2 mit einer PVD-Schicht 8' auf Basis von CrN mit Sauerstoff beschichtet wurde. Da die PVD-Schicht 8' in geringen Dicken abgeschieden wird, legt sie sich einerseits auf die Lauffläche 2 und andererseits in die Vertiefungen 7'.
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Das untere Bild (d) zeigt, dass durch Abarbeiten der PVD-Schicht 8' auf der Lauffläche 2, beispielsweise mittels Rundläppen, lediglich eine Beschichtung 8 innerhalb der Ausnehmungen 7' verbleibt. Nachdem die überstehende PVD-Schicht 8' von der Lauffläche 2 abgetragen wurde, ist der PVD-Mantel unterbrochen. Der Bimetalleffekt kommt nicht mehr zur Geltung, da die PVD-Ausnehmungen 7' sich untereinander nicht mehr abstützen können. Es ist somit ein Verschleißschutz durch die PVD-beschichteten Ausnehmungen 7' gegeben, ohne den Nachteil des Bimetalleffekts in Kauf nehmen zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2619485 [0004]
- DD 214657 [0005]
- DE 10134736 A1 [0006]
