DE102012004760A1

DE102012004760A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings sowie Kolbenring

Info

Publication number: DE102012004760A1
Application number: DE201210004760
Authority: DE
Inventors: Markus Kellner; Klaus Meyer
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: DE102012004760B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines zumindest einseitig trapezförmig ausgebildeten Kolbenrings, bestehend aus einem Grundkörper mit einer radial äußeren Lauffläche, oberen und unteren Flankenflächen, von denen zumindest eine Flankenfläche trapezförmig ausgebildet ist sowie einer inneren Umfangsfläche, wobei in die Lauffläche eine zumindest einseitige Kammerung eingebracht wird, die bedarfsweise mit einem verschleißfesten Werkstoff zumindest partiell ausgefüllt wird, wobei zumindest die Flankenflächen und die innere Umfangsfläche mit einer umlaufenden Chromschicht versehen werden, die anschließend im Übergangsbereich von der jeweiligen trapezförmigen Flanke in die Lauffläche so weit abgetragen wird, dass der Übergangsbereich eine chromfreie Abstreifkante zur Lauffläche hin bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines, zumindest einseitig trapezförmig ausgebildeten Kolbenrings.
Kolbenringe sind durch steigende Leistungsdichte der Motoren immer stärkerer Belastung, sowohl auf der Lauffläche als auch an den Ringflanken, ausgesetzt. Vielfach kommen hierbei zumindest einseitig trapezförmig ausgebildete Kolbenringe zum Einsatz, die bedarfsweise mit umlaufend ausgebildeten Verschleißschutzschichten sowie einer zumindest einseitigen Kammerung im Laufflächenbereich versehen sind. Diese umlaufend ausgebildete Verschleißschutzschicht bewirkt im Falle eines ein- oder beidseitig gekammerten Rings, dass im Besonderen die Unterkante des Kolbenrings durch bewusst in Kauf genommenen Verschleiß ihr Selbstschärfeverhalten verliert. In diesem Fall ist, über die Lebensdauer des Rings gesehen, eine Verschlechterung des Abstreifverhaltens und somit eine Erhöhung des Ölverbrauchs zu erwarten.
Der DE 198 33 825 C1 ist ein Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, zu entnehmen, mit wenigstens einer, einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut mit gegen Verschleiß geschützten Flanken, wobei die Oberfläche wenigstens einer Flanke einen, durch gehärtetes Material gebildeten umfangsseitigen Randbereich und einen diesem benachbarten, im Wesentlichen aus Chrom bestehenden, Innenbereich aufweist. Der Kolbenring weist hierbei im Bereich wenigstens einer Flanke eine Oberfläche mit einem, durch legierten Stahl gebildeten, umfangsseitigen Randbereich und einen diesem benachbarten, im Wesentlichen aus Chrom bestehenden, Innenbereich auf.
Die WO 2005/121609 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem zunächst auf einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterial ein mit einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche sowie einer oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformt wird, der anschließend mittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durch Bearbeitung der Oberflächen in seine endgültige Form und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung das Basismaterial von den Ringflanken freigelegt wird.
Durch die WO 2007/025533 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings mit folgenden Verfahrensschritten bekannt geworden:

– Bearbeiten eines Metallbandes, so dass es mindestens eine abgeschrägte Fläche erhält, die mindestens einen Teil einer Ringflanke des herzustellenden Kolbenrings darstellt;
– Bilden eines Kolbenrings aus dem so bearbeiteten Metallband, dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsfläche sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet;
– Härten der Oberfläche des Kolbenrings.

Auf den unteren Ringflanken des Kolbenrings wird nach dem Härten eine Verschleißschutzschicht, vorzugsweise eine Chromschicht oder eine Chromnitritschicht, aufgebracht. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass auf den Flächen der oberen und/oder unteren Ringflanken auf der gehärteten Schicht eine Verschleißschutzschicht, vorzugsweise eine Chromschicht, aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings bereitzustellen, mittels welchem die Lebensdauer des Rings ohne Verschlechterung des Abstreifverhaltens erhöht wird.
Darüber hinaus soll ein Kolbenring, hergestellt nach diesem Verfahren, vorgeschlagen werden, der gegenüber dem Stand der Technik ein optimiertes Abstreifverhalten sowie einen reduzierten Ölverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest einseitig trapezförmig ausgebildeten Kolbenrings, bestehend aus einem Grundkörper mit einer radial äußeren Lauffläche, oberen und unteren Flankenflächen, von denen zumindest eine Flankenfläche trapezförmig ausgebildet ist sowie einer inneren Umfangsfläche, wobei in die Lauffläche eine zumindest einseitige Kammerung eingebracht wird, die bedarfsweise mit einem verschleißfesten Werkstoff zumindest partiell ausgefüllt wird, wobei zumindest die Flankenflächen und die innere Umfangsfläche mit einer umlaufenden Chromschicht versehen werden, die anschließend im Übergangsbereich von der jeweiligen trapezförmigen Flanke in die Lauffläche so weit abgetragen wird, dass der Übergangsbereich eine chromfreie Abstreifkante zur Lauffläche hin bildet.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch einen Kolbenring für Brennkraftmaschinen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Von besonderem Vorteil ist, wenn der Kolbenring durch einen Ölabstreifkolbenring gebildet wird, beinhaltend einen Grundkörper mit einer Lauffläche, obere und untere Flankenflächen sowie eine innere Umfangsfläche, wobei zumindest eine der Flankenflächen trapezförmig ausgebildet und die Lauffläche mit einer, zumindest einseitigen, Kammerung versehen ist, wobei zumindest der größte Teil der Flankenflächen und die gesamte innere Umfangsfläche mit einer Chromschicht versehen sind, dergestalt, dass der Übergangsbereich von der jeweiligen trapezförmigen Flankenfläche in die Lauffläche eine chromfreie selbstschärfende Abstreifkante bildet.
Bevorzugt kommen Kolbenring-Grundkörper mit zwei trapezförmig ausgebildeten Flankenflächen zum Einsatz.
Je nach Einsatzfall kann es sinnvoll sein, die Chromschicht auch auf der Lauffläche abzuscheiden.
Die umlaufende Verchromung um den gesamten Querschnitt des Rings wird hierbei jedoch bewusst im Bereich der jeweiligen Abstreifkante aufgebrochen, so dass im konkreten Einsatzfall eines ein- oder beidseitig gekammerten Kolbenrings, insbesondere die Unterkante, einem Selbstschärfeverhalten unterliegt. Durch diese Maßnahme kann das Abstreifverhalten verbessert und somit der Ölverbrauch reduziert werden, wobei letztendlich die Lebensdauer des Kolbenrings optimiert wird.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
1 und 2 Querschnitt durch einen einseitig gekammerten, trapezförmig ausgebildeten Kolbenring in verschiedenen Bearbeitungsstufen;
3 und 4 Querschnitt durch einen trapezförmig ausgebildeten, beidseitig gekammerten Kolbenring in verschiedenen Bearbeitungsstufen.
1 zeigt einen als Ölabstreifring ausgebildeten Kolbenring 1, beinhaltend eine radial äußere Lauffläche 2, eine innere Umfangsfläche 3 sowie obere und untere trapezförmig sich von der inneren Umfangsfläche 3 zur Lauffläche 2 hin verjüngenden Flankenflächen 4, 5. In die Lauffläche 2 ist eine einseitige Kammerung 6 eingebracht, die zur Aufnahme eines verschleißfesten Werkstoffs 7 dient. Dieser Grundkörper wird durch Galvanisieren mit einer, sich über die Flankenflächen 4, 5 und die innere Umfangsfläche 3 umlaufend erstreckenden Chromschicht 4', 3', 5' versehen. In diesem Ausführungsbeispiel soll die Lauffläche 2 chromfrei ausgebildet sein. Durch die Verchromung der Flankenflächen 4 und 5 läuft hier ausschließlich die Flankenfläche 5 bis in die Lauffläche 2 ein, so dass hier keine scharfkantige, sich im Betriebszustand selbstschärfende Abstreifkante gebildet werden kann.
2 zeigt einen anderen Bearbeitungszustand des Kolbenrings 1. Gleiche Bezugszeichen gelten für gleiche Bauteile.
Erkennbar ist, dass im Bereich der Chromschicht 4', 5' ein chromfreier Übergangsbereich a vorgesehen wird, der durch Materialabtrag der jeweiligen Chromschicht 4', 5' bis auf das Grundmaterial des Kolbenrings 1 erzeugt wurde. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass in jedem Fall eine chromfreie scharfkantige Abstreifkante 8 gebildet wird, die vom Übergangsbereich a in die Lauffläche 2 einläuft. Dadurch, dass in diesem Übergangsbereich a kein Chrom mehr vorhanden ist, kann durch das Grundmaterial des Kolbenrings 1 das im Betriebszustand sich einstellende Selbstschärfeverhalten der Abstreifkante 8 aufrechterhalten werden, wobei für die übrigen Bereiche, insbesondere der Flankenflächen 4, 5, die Vorteile der verschleißfesten Chromschicht 4', 5' beibehalten werden können.
3 zeigt einen Kolbenring 10, der einen gleichartigen Aufbau wie der Kolbenring 1 gemäß 1 und 2 aufweist, so dass auch hier gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile gelten. Abweichend zu der einseitigen Kammerung 6 gemäß 1 weist der Kolbenring 10 eine beidseitige Kammerung 6' auf, die bedarfsweise mit einer verschleißfesten Schicht 7' gefüllt sein kann. Auch in diesem Beispiel sind die trapezförmig verlaufenden Flankenflächen 4, 5 sowie die innere Umfangsfläche 3 mit einer umlaufend ausgebildeten verschleißfesten Chromschicht 4', 3', 5' überzogen, wobei erkennbar ist, dass die Chromschicht 4', 5' bis in den Bereich der Lauffläche 2 einläuft und auch hier die Bildung scharfer Abstreifkanten behindert.
In Analogie zu 2 wird bei 4 auch hier im Übergangsbereich b von der jeweiligen trapezförmig ausgebildeten Flankenfläche 4, 5 die Chromschicht 4', 5' mechanisch bis auf den Grundwerkstoff des Kolbenrings 10 abgetragen, so dass in Analogie zu 2 im Übergangsbereich b in die Lauffläche 2 eine scharfe Abstreifkante 8' gebildet wird. Infolge der Chromfreiheit des Übergangsbereichs b sowie der Lauffläche 2 ist die jeweilige Abstreifkante 8' im Betriebszustand des Kolbenrings 10 selbstschärfend, wodurch das Abstreifverhalten des Kolbenrings 10 verbessert und der Ölverbrauch reduziert wird.
Sofern auf der Lauffläche 2 auch eine Chromschicht aufgebracht worden sein sollte, muss in Analogie zum Übergangsbereich b auf der Lauffläche 2 ein weiterer Übergangsbereich (nicht dargestellt) geschaffen werden, der ebenfalls chromfrei ist, so dass die jeweilige scharfe Abstreifkante 8' erzeugt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19833825 C1 [0003]
WO 2005/121609 A1 [0004]
WO 2007/025533 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines zumindest einseitig trapezförmig ausgebildeten Kolbenrings (1, 10), bestehend aus einem Grundkörper mit einer radial äußeren Lauffläche (2), oberen und unteren Flankenflächen (4, 5), von denen zumindest eine Flankenfläche (4, 5) trapezförmig ausgebildet ist sowie einer inneren Umfangsfläche (3), wobei in die Lauffläche (2) eine zumindest einseitige Kammerung (6, 6') eingebracht wird, die bedarfsweise mit einem verschleißfesten Werkstoff (7, 7') zumindest partiell ausgefüllt wird, wobei zumindest die Flankenflächen (4, 5) und die innere Umfangsfläche (3) mit einer umlaufenden Chromschicht (4', 3', 5') versehen werden, die anschließend im Übergangsbereich (a, b) von der jeweiligen trapezförmigen Flanke (4, 5) in die Lauffläche (2) so weit abgetragen wird, dass der Übergangsbereich (a, b) eine chromfreie Abstreifkante (8, 8') zur Lauffläche (2) hin bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mit zwei trapezförmig verlaufenden Flankenflächen (4, 5) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Lauffläche (2) mit in den umlaufenden Verchromungsprozess eingebunden wird, wobei der jeweilige Übergangsbereich (a, b) von der trapezförmigen Flankenfläche (4, 5) in die Lauffläche (2) zur Bildung der chromfreien Abstreifkante (8, 8') einem Materialabtrag unterzogen wird.
Kolbenring für Brennkraftmaschinen, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
Kolbenring nach Anspruch 4, gebildet durch einen Ölabstreifkolbenring, beinhaltend einen Grundkörper mit einer Lauffläche (2), einer oberen (4) und einer unteren Flankenfläche (5) sowie einer inneren Umfangsfläche (3), wobei zumindest eine der Flankenflächen (4, 5) trapezförmig ausgebildet und die Lauffläche (2) mit einer zumindest einseitigen Kammerung (6, 6') versehen ist, und wobei zumindest der größte Teil der Flankenflächen (4, 5) und die gesamte innere Umfangsfläche (3) mit einer umlaufenden Chromschicht (4', 3', 5') versehen sind, dergestalt, dass im Übergangsbereich (a, b) von der jeweiligen trapezförmigen Flankenfläche (4, 5) in die Lauffläche (2) eine chromfreie selbstschärfende Abstreifkante (8, 8') gebildet wird.
Kolbenring nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mit zwei trapezförmig ausgebildeten Flankenflächen (4, 5) versehen ist.