DE102012018706B3 - Method for manufacturing piston ring of internal combustion engine, involves producing piston ring main body with groove in running surface, providing carrier body with hard material coating and inserting coated carrier body into groove - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings.The invention relates to a method for producing a piston ring.
Die
Durch die
Der
In der
Die
Schließlich wird in der
Bei Kolbenringen werden heute zur Verminderung des Verschleißes der Lauffläche Hartstoffbeschichtungen verwendet. Dabei kommen unterschiedliche Beschichtungsverfahren zum Einsatz (PVD, DLC, galvanisch abgeschiedene Chromschichten sowie thermische Spritzschichten). Die dabei entstehenden, direkt auf das Grundmaterial des Kolbenrings aufgebrachten Schichtsysteme weisen in der Regel deutlich vom Grundmaterial des Rings abweichende Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was dazu führt, dass sich durch auftretende Schubspannungen die Ringform und somit auch die Druckverteilung unter dem Einfluss der Temperatur im motorischen Einsatz verändert. Dies kann zu lokalen radialen Druckspitzen am Umfang des Kolbenrings führen, was wiederum an diesen Stellen zu erhöhtem Verschleiß und infolge zu vorzeitigen Veränderungen des Funktionsverhaltens, über die Lebensdauer gesehen, führt.In piston rings today hard material coatings are used to reduce the wear of the tread. Different coating methods are used (PVD, DLC, electroplated chrome layers and thermal spray coatings). The resulting, applied directly to the base material of the piston ring layer systems generally have significantly different from the base material of the ring thermal expansion coefficients, which means that changes due to shear stresses, the ring shape and thus the pressure distribution under the influence of temperature in motor use , This can lead to local radial pressure peaks around the circumference of the piston ring, which in turn leads to increased wear at these locations and premature changes in performance over the life cycle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Ringdesign bereitzustellen, mit welchem der Bimetalleffekt zwischen der Kolbenringbeschichtung und dem Grundmaterial des Kolbenrings weitestgehend aufgehoben wird, so dass, über die Lebensdauer des Kolbenrings gesehen, eine weitestgehend gleichbleibende Ringform auch unter thermischen Einfluss gegeben ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung des neuen Ringdesigns vorgeschlagen werden, das einfach im Aufbau ist.The invention has for its object to provide a novel ring design, with which the bimetallic effect between the piston ring coating and the base material of the piston ring is largely eliminated, so that, seen over the life of the piston ring, a largely uniform ring shape is given even under thermal influence. Furthermore, a method for producing the new ring design is to be proposed, which is simple in construction.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings, indem ein mit einer, im Bereich einer Lauffläche vorgesehenen, Nut versehener Kolbenringgrundkörper erzeugt wird, ein Trägerkörper mit einer Hartstoffbeschichtung versehen wird und der beschichtete Trägerköper in die Nut des Kolbenringgrundkörpers eingesetzt wird, wobei die Verbindung zwischen Kolbenringgrundkörper und Trägerkörper dergestalt ausgeführt wird, dass eine Relativbewegung in Umfangsrichtung zwischen dem Kolbenringgrundkörper und dem Trägerkörper ermöglicht wird.This object is achieved by a method for producing a piston ring in that a piston ring main body provided with a groove provided in the region of a running surface is produced, a carrier body is provided with a hard material coating and the coated carrier body is inserted into the groove of the piston ring main body, wherein the Connection between the piston ring main body and carrier body is designed such that a relative movement in the circumferential direction between the piston ring main body and the carrier body is made possible.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the method according to the invention can be found in the associated subclaims.
Bei einem Kolbenring, beinhaltend eine mit einer umlaufenden Nut versehene Lauffläche, eine innere Umfangsfläche, dazwischen verlaufenden oberen und unteren Flankenflächen sowie einen Stoß wird die Aufgabe auch dadurch gelöst, dass in der Nut ein separater, mit einer Hartstoffschicht versehener, Trägerkörper eingesetzt ist, dergestalt, dass eine Relativbewegung des Trägerkörpers, in Umfangsrichtung des Kolbenrings gesehen, möglich ist.In a piston ring, comprising a running surface provided with a circumferential groove, an inner circumferential surface, intervening upper and lower flank surfaces and a shock, the object is also achieved in that in the groove a separate, provided with a hard material, carrier body is inserted, such in that a relative movement of the carrier body, seen in the circumferential direction of the piston ring, is possible.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenrings sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen. Advantageous developments of the piston ring according to the invention can be found in the associated subject subclaims.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie den ebenfalls erfindungsgemäßen Kolbenring wird nun ein Kolbenringsystem bereitgestellt, bei welchem die Beschichtung, nicht wie heute noch ausgeführt unmittelbar auf das Grundmaterial des Kolbenrings, sondern auf einen separaten Trägerköper aufgebracht wird, welcher in der Art mit dem Kolbenringgrundkörper verbunden wird, dass im eingebauten Zustand des Kolbenrings in Bewegungsrichtung des Kolbens ein Formschluss vorliegt. Die Verbindung ist hierbei vorteilhafterweise so auszuführen, dass eine Bewegung in Umfangsrichtung zwischen dem beschichten Trägerkörper und dem Kolbenringgrundkörper ermöglicht ist. Dadurch wird die Bewegung in Richtung der größten Ausdehnung ermöglicht und es kommt nicht zur Bildung von Schubspannungen, welche für die Änderung von Formänderungen verantwortlich sind. Für die Form- und Druckverteilung des gesamten Kolbenrings (beschichteter Trägerkörper + Grundkörper) ist ausschließlich die Ausführung des Grundkörpers verantwortlich.By means of the method according to the invention and also the piston ring according to the invention, a piston ring system is now provided in which the coating is not applied directly to the base material of the piston ring, as is still the case today, but to a separate carrier body which is connected in the manner of the piston ring main body. that in the installed state of the piston ring in the direction of movement of the piston is a positive connection. The connection here is advantageously designed so that a movement in the circumferential direction between the coated carrier body and the piston ring main body is made possible. This allows movement in the direction of maximum expansion and does not generate shear stresses responsible for changing shape changes. For the shape and pressure distribution of the entire piston ring (coated carrier body + body), only the execution of the body is responsible.
Der beschichtete Trägerkörper muss zum einen so stabil sein, dass er den mechanischen Belastungen im Motor standhält, darf zum anderen jedoch auch nicht so steif sein, dass durch das dabei entstehende Widerstandsmoment die Formgebung durch den Kolbenringgrundkörper nicht mehr gegeben ist. Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, wird vorgeschlagen, die Wanddicke des beschichteten Trägerkörpers in Bereichen zwischen 0,5 und 1,5 mm anzusiedeln. Die Schichtdicke der Hartstoffschicht soll hierbei < 100 μm sein.On the one hand, the coated carrier body must be so stable that it can withstand the mechanical stresses in the engine, but on the other hand, it must not be so stiff that the shape created by the piston ring main body is no longer present due to the resulting moment of resistance. According to a further aspect of the invention, it is proposed to settle the wall thickness of the coated carrier body in ranges between 0.5 and 1.5 mm. The layer thickness of the hard material layer should in this case be <100 μm.
Die geometrischen Verhältnisse zwischen dem gesamten Kolbenring und dem beschichteten Trägerkörper sind vorzugsweise so zu gestalten, dass die axialen Widerstandsmomente des beschichteten Trägersystems maximal 8% des Widerstandsmoments des Gesamtrings betragen. Die Bezugsachse ist jeweils die Biegeachse.The geometric relationships between the entire piston ring and the coated carrier body are preferably to be designed so that the axial moments of resistance of the coated carrier system amount to a maximum of 8% of the resistance moment of the overall ring. The reference axis is the bending axis in each case.
Hierbei kann folgende Formel berücksichtigt werden:
wobei gilt
h = Ausdehnung parallel zur jeweiligen Biegeachse
b = Ausdehnung 90° zur jeweiligen BiegeachseThe following formula can be taken into account:
where is true
h = extension parallel to the respective bending axis
b = extension 90 ° to the respective bending axis
Von weiterem Vorteil ist, dass der Trägerkörper während des Beschichtungsvorgangs in einer definierten Formgebung fixiert wird, so dass sich danach ein Krümmungsradius entsprechend der späteren Zylinderbohrung ergibt. Das Beschichten des Trägerkörpers erfolgt unabhängig von der Herstellung des Grundkörpers. Eventuelle metallurgische Veränderungen des Grundkörpers durch während des Beschichtungsprozesses auftretende Temperaturen werden hiermit ebenfalls vorteilhafterweise verhindert.Another advantage is that the carrier body is fixed during the coating process in a defined shape, so that thereafter results in a radius of curvature corresponding to the later cylinder bore. The coating of the carrier body is independent of the production of the body. Any metallurgical changes in the body due to temperatures occurring during the coating process are also advantageously prevented hereby.
Der Erfindungsgegenstand ist sowohl auf rechteckige als auch auf trapezförmige Kolbenring anwendbar.The subject invention is applicable to both rectangular and trapezoidal piston ring.
Bevorzugte Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Kolbenrings sind LKW-Dieselmotoren, wobei hier vorteilhafterweise aus Gründen der Abreinigung der Kolbennuten Trapezringe verwendet werden.Preferred areas of application of the piston ring according to the invention are truck diesel engines, in which case advantageously trapezoidal rings are used for reasons of cleaning the piston grooves.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiel dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:The subject invention is illustrated by means of an embodiment and will be described as follows. Show it:
Die
Der Kolbenringgrundkörper
Die
Abweichend zum Stand der Technik erfolgt das Beschichten des Trägerkörpers
Nachdem Kolbenringgrundkörper
Hierbei ist vorteilhafter Weise dafür Sorge zu tragen, dass die Verbindung zwischen dem Kolbenringgrundkörper
Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik wird nun ein Ringdesign bereitgestellt, bei welchem der Bimetalleffekt der Hartstoffschicht
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