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Die Erfindung betrifft Kolbenringe, und insbesondere Kolbenringe wie etwa Kompressionsringe mit überlappendem oder gasdichtem Stoß.
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Stand der Technik
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Kolbenringe werden im Zylinder eingesetzt, um eine Abdichtung des Arbeitsraums zu erreichen. Speziell Kompressionsringe haben die Aufgabe, das Kurbelgehäuse gegenüber dem Brennraum gegen Gasfluss abzudichten. Dabei sind Kolbenringe üblicherweise nicht als geschlossene Ringe ausgeführt, sondern haben auch im eingebauten Zustand eine Öffnung. Beim Einbau wird der Ring zusammengedrückt. Dennoch bleibt der Stoßbereich prinzipiell undicht. Um eine verbesserte Abdichtung auch im Stoßbereich zu erreichen, kann der Stoß je nach Druckbedingungen auch mit überlappenden Bereichen ausgestaltet sein. Bekannt sind beispielsweise Ringe mit sogenanntem überlappendem oder gasdichtem Stoß. Die Gesamtausführung des Rings hängt vom Einsatzgebiet und von der Funktion des jeweiligen Rings ab.
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Außerdem werden Kompressions- oder Verdichtungsringe mit einer balligen Lauffläche
20 ausgestattet, um bei entsprechenden Kolbengeschwindigkeiten eine Öl-Hydrodynamik zwischen Kolbenring und Zylinder zu erreichen.
Aus der
DE 3305920A1 oder der
US 5779243A sind beispielsweise Kolbenringe bekannt, deren Außenumfang eine ballige Form aufweist und deren Enden im Stoßbereich überlappend ausgestaltet sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es besteht also Bedarf nach Kolbenringen, die einen überlappenden Stoß mit balligen Laufflächen so kombinieren, dass auch im Stoßbereich ein ausreichender hydrodynamischer Effekt erzeugt wird, um die Dichtwirkung zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird dazu gemäß einer Ausführungsform ein Kolbenring bereitgestellt, der einen offenen Ring mit einem Stoßbereich umfasst, wobei eine äußere Umfangsfläche des Rings im Stoßbereich aus mindestens zwei sich in Umfangsrichtung überlappenden Ringenden zusammengesetzt ist. Im Stoßbereich ist auf jedem der Ringenden auf der äußeren Umfangsfläche jeweils ein separater balliger Laufflächenbereich angeordnet.
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Erfindungsgemäß verlaufen die balligen Laufflächenbereiche im Stoßbereich im Wesentlichen parallel zueinander.
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Nach einer Ausführungsform sind die balligen Laufflächenbereiche im Stoßbereich durch eine ballige Lauffläche, die über die äußere Umfangsfläche des Rings verläuft, miteinander verbunden. Auf diese Weise kann eine durchgehende ballige Lauffläche von einem Ende des offenen Rings bis zum anderen Ringende gebildet werden.
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Mindestens einer der Laufflächenbereiche im Stoßbereich kann axial versetzt gegenüber der balligen Lauffläche auf der übrigen äußeren Umfangsfläche angeordnet sein. Je nach Ausführungsform der Lauffläche können auch beide Laufflächenbereiche im Stoßbereich axial versetzt gegenüber dem Verlauf der balligen Lauffläche auf der übrigen äußeren Umfangsfläche sein.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die ballige Lauffläche auf der übrigen äußeren Umfangsfläche axial versetzt gegenüber der Mitte der Umfangsfläche verlaufen. Zum Beispiel kann eine asymmetrische Gestaltung vorliegen, bei der eine ballige Lauffläche auf der äußeren Umfangsfläche nahe an einem der Ränder der Umfangsfläche verläuft.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Übergang zwischen der balligen Lauffläche auf der übrigen äußeren Umfangsfläche und mindestens einem axial versetzten Laufflächenbereich im Stoßbereich durch einen schrägen Verlauf ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Übergang zwischen der balligen Lauffläche auf der übrigen äußeren Umfangsfläche und mindestens einem axial versetzten Laufflächenbereich im Stoßbereich durch einen stufigen Verlauf ausgebildet sein. Ebenso kann eine Stufe mit schrägen Abschnitten kombiniert werden, oder es kann zum Beispiel an einem Ringende eine schräger Verlauf und am anderen Ringende ein stufiger Verlauf vorliegen.
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Alternativ kann gemäß einer Ausführungsform die äußere Umfangsfläche des Rings zwei im Wesentlichen parallele ballige Laufflächen aufweisen, wobei jeweils eine der balligen Laufflächen einen der balligen Laufflächenbereiche im Stoßbereich bildet. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung können in diesem Fall die beiden balligen Laufflächen über den Stoß hinweg verlaufen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
- 1 a bis 1c zeigen verschiedene Ausführungsformen eines überlappenden Stoßes bei Kompressionsringen.
- 2a zeigt einen Kompressionsring mit überlappendem bzw. gasdichtem Stoßbereich und einer balligen Lauffläche gemäß der Erfindung.
- 2b zeigt radiale Querschnitte des Rings aus 2a entlang der Markierungen A, B und C.
- 3a zeigt einen Kompressionsring mit überlappendem Stoßbereich und einer umlaufenden balligen Lauffläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- 3b zeigt radiale Querschnitte des Rings aus 3a entlang der Markierungen A, B und C.
- 4a zeigt einen Kompressionsring mit überlappendem Stoßbereich und einer umlaufenden balligen Lauffläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- 4b zeigt radiale Querschnitte des Rings aus 4a entlang der Markierungen A, B und C.
- 5a zeigt einen Kompressionsring mit überlappendem Stoßbereich und zwei umlaufenden balligen Laufflächen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 5b zeigt radiale Querschnitte des Rings aus 5a entlang der Markierungen A, B und C.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1a bis 1c sind verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie ein Stoßbereich 2 mit überlappenden Enden bei Kompressionsringen bzw. Kolbenringen nach dem Stand der Technik ausgeführt ist.
Die Erfindung ist auf jeden solchen Kompressionsring oder ähnlichen Dichtring anwendbar, der als offener Ring 1 gestaltet ist und dessen Umfangsfläche 3 im Stoßbereich 2 aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist und ballige Lauffläche(n) aufweist. Für Kolbenringe sind beispielsweise sogenannte überlappende oder gasdichte Stoßbereiche denkbar. Beim in 1a gezeigten überlappenden Stoß ist im Stoßbereich eine Stufe in axialer Richtung über die gesamte Breite des Rings vorhanden, so dass die beiden gegensätzlich abgestuften Ringenden sich am Stoß in Umfangsrichtung überlappen und miteinander zu einem geschlossenen Ring abschließen. Beim gasdichten Stoß wie in 1b wird die Überlappung in zwei Dimensionen ausgeführt, so dass die Ringenden auch in radialer Richtung abgestuft sind. Man erhält so eine Zunge an einem Ringende und eine passende Ausnehmung am anderen Ringende. Eine weitere einfache Möglichkeit sich teilweise überlappender Ringenden ist in 1c mit einem schrägen Stoß gezeigt. In all diesen Fällen ist entsprechend die Umfangsfläche im Stoßbereich aus mehreren Teilen zusammengesetzt und verläuft über den Stoß bzw. Spalt hinweg.
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Es wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Zeichnungen nur als Skizzen zur Verdeutlichung des Erfindungsprinzips dienen sollen und dass beispielsweise die Abmessungen, Winkel, Formen und Größenverhältnisse zwischen verschiedenen Elementen nicht den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen müssen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist nun zumindest auf einem Teil der Umfangsfläche 3 des Rings eine ballige Lauffläche 14 ausgebildet. Im Stoßbereich 2, in dem die Ringenden 5, 6 sich zumindest teilweise überlappen und so eine zusammengesetzte Umfangsfläche in diesem Bereich bilden, wird die ballige Lauffläche dann jeweils so fortgeführt, dass im Stoßbereich zwei separate ballige Laufflächenbereiche 10, 12 vorliegen, dass also die Umfangsfläche an jedem Ringende 5, 6 mit einem balligen Laufflächenbereich 10, 12versehen ist. Auf diese Weise erhält man im Stoßbereich 2 mindestens zwei im Wesentlichen parallel verlaufende ballige Laufflächenbereiche auf den beiden Ringenden. Somit wird die Druckverteilung und das hydrodynamische Verhalten im Stoßbereich verbessert und die Abdichtung an dieser kritischen Stelle optimiert. Außerdem wird dadurch der Verschleiß an den Stoßenden verringert.
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Auf der übrigen Ringfläche, also außerhalb des Stoßbereiches 2, kann die mindestens eine ballige Lauffläche 14 beliebig verlaufen. Bei der Ausführungsform aus 2a, bei der eine einzige durchgehende ballige Lauffläche vorgesehen ist, kann diese nach einer einzelnen Krümmung 16 im Stoßbereich 2 im Wesentlichen geradlinig um den gesamten Ringumfang herum verlaufen. Dabei kann die Balligkeit 14 asymmetrisch angeordnet sein, also mit einem Scheitelpunkt, der gegenüber der Mitte der Umfangsfläche 3 axial versetzt ist. Wie in 2a zu sehen ist, ist die ballige Lauffläche 14 in diesem Beispiel am unteren Ringrand angeordnet. Die gestrichelte Linie zeigt grob skizziert den Scheitelpunkt der Lauffläche 14 an, wobei die Lauffläche selbst natürlich auch breiter als eine Linie sein kann. Die gestrichelte Linie dient also nur der Veranschaulichung des Laufflächenverlaufs. Die gepunktete Linie soll die Breite der Balligkeit andeuten.
Somit ist die Lauffläche 10 an einem Ringende 5, das den oberen Teil der Umfangsfläche im Stoßbereich 2 bildet, versetzt zur Lauffläche 14 der übrigen Umfangsfläche angeordnet. Der Übergang 16 ist in diesem Fall durch eine Flanke im Verlauf der Lauffläche am Beginn des Stoßbereichs 2 gebildet. Am anderen Ringende 6, welches den unteren Teil der Umfangsfläche im Stoßbereich bildet, ist die Lauffläche 12 auf derselben axialen Höhe angeordnet wie auf der übrigen Umfangsfläche. Im Folgenden wird das Ringende 5, das den oberen Teil der Umfangsfläche im Stoßbereich bildet, gelegentlich auch als das „obere Ringende“ bezeichnet, während das Ringende 6, welches den unteren Teil der Umfangsfläche im Stoßbereich bildet, als das „untere Ringende“ bezeichnet wird. Es ist selbstverständlich, dass oben und unten dabei nur relative Begriffe sind, die sich auf das skizzierte Beispiel der jeweiligen Zeichnung beziehen und keine absolute Richtung angeben. Selbstverständlich können die Richtungen beispielsweise auch vertauscht sein.
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In 2b sind Querschnitte durch den Ring 1 aus 2a entlang der markierten Stellen A, B und C skizziert. Da die Lauffläche 14 in diesem Beispiel auf der übrigen Umfangsfläche geradlinig am unteren Ringrand entlang verläuft, entspricht der Schnitt an der Stelle A dem Schnitt an der Stelle B. An der Stelle C verläuft der Querschnitt durch den zweigeteilten Stoßbereich 2, wobei ein balliger Laufflächenbereich 10 auf dem oberen Ringende 5 angeordnet ist, während ein zweiter balliger Laufflächenbereich 12 im Wesentlichen parallel dazu auf dem unteren Ringende 6 angeordnet ist.
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Die balligen Laufflächenbereiche 10, 12 können wie hier angedeutet vor dem jeweiligen Stoßspalt auslaufen, oder können auch exakt mit dem Ringende enden. Ebenso könnten die balligen Laufflächenbereiche auch jeweils ein Stück über den Stoßspalt hinaus verlaufen, also auf der jeweils anschließenden Umfangsfläche des entgegengesetzten Ringendes noch weiterverlaufen.
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Alternativ ist denkbar, dass eine Krümmung oder Schräge 16 in Richtung des jeweiligen Stoßbereichs an beiden Enden vorliegt und der Scheitelpunkt der balligen Lauffläche 14 im Wesentlichen mittig auf der Umfangsfläche angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform ist in 3a perspektivisch dargestellt. In diesem Fall sind beide balligen Laufflächenbereiche 10, 12 auf den Ringenden 5, 6 versetzt gegenüber der balligen Lauffläche 14 auf der übrigen Umfangsfläche angeordnet. Daher ist auch am Beginn des Stoßbereiches beidseitig jeweils eine Krümmung bzw. Schräge 16 im Verlauf der Lauffläche vorhanden, einmal von der Mitte nach unten zum unteren Ringende 6, einmal von der Mitte nach oben zum oberen Ringende 5. 3b zeigt wiederum die radialen Querschnitte des Rings aus 3a, aus denen ersichtlich ist, dass der Schnitt an den Stellen A und B derselbe ist und einen im Wesentlichen in axialer Richtung mittig liegenden balligen Laufflächenbereich 14 zeigt, während der Schnitt C im Stoßbereich 2 ebenso ausgestaltet ist wie im Beispiel aus 2.
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In beiden Fällen der 2 und 3 ist mindestens ein Laufflächenbereich 10 im Stoßbereich 2 axial versetzt gegenüber der balligen Lauffläche 14 der restlichen Umfangsfläche angeordnet. Der Übergang 16 bzw. Versatz zwischen den Laufflächenbereichen 10, 14 kann durch eine flache oder steile Flanke bzw. Schräge gegeben sein. In alternativen Ausführungsformen kann der Übergang 16 zwischen dem Laufflächenbereich 10 im Stoßbereich und der übrigen balligen Lauffläche 14 stufig oder als abgerundete Stufe ausgestaltet sein.
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Ebenso ist eine Ausführungsform wie in 4a gezeigt möglich, bei der die ballige Lauffläche 14 über den gesamten Umfang hinweg von einem oberen Ringende 5 zum anderen unteren Ringende 6 hin in axialer Richtung kontinuierlich leicht abfällt, so dass keine Flanke oder Stufe im Stoßbereich nötig ist. Der Winkel gegenüber der Umfangsrichtung der so abfallenden Lauffläche 14 ist selbstverständlich von der Höhe des Rings und seinem Umfang abhängig. Aus den Querschnitten des Rings in 4b wird ersichtlich, wie sich die Lage der Lauffläche 14 in axialer Richtung kontinuierlich verändert. Der Schnitt C im Stoßbereich 2 entspricht im Wesentlichen dem Schnitt der Beispiele aus den 2 und 3, wobei bei einer kontinuierlichen Neigung des Laufflächenverlaufs der Schnitt der Lauffläche in 4 etwas schräger wäre als bei einer im Stoßbereich mehr oder weniger gerade verlaufenden Lauffläche. Im gezeigten Beispiel verläuft die Lauffläche am Schnitt A, vom oberen Ringende 5 her kommend, noch oberhalb der Mitte der Umfangsfläche 3 in axialer Richtung, während am Schnitt B die Lauffläche bereits unterhalb der Mitte liegt und weiter in Richtung des unteren Ringendes 6 verläuft.
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Ebenso könnte der Scheitelpunkt der balligen Lauffläche 14 über den Umfang hinweg periodisch oder nicht-periodisch veränderlich sein, beispielsweise in Form einer in axialer Richtung wellenartig ausgestalteten Lauffläche (nicht gezeigt). Außerdem können in oder bei der balligen Lauffläche 14, 5, 6 weitere Elemente angeordnet sein, wie etwa eine Nut, die in der Mitte der balligen Lauffläche eingebracht ist oder zwischen zwei parallel verlaufenden balligen Laufflächen gebildet wird. Die Lauffläche 14 kann durchgehend als ballige Lauffläche ausgebildet sein, oder der ballige Verlauf kann entlang des Ringumfangs unterbrochen sein.
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In einer alternativen Ausführungsform sind im Wesentlichen über die gesamte Umfangsfläche 3 zwei in Umfangsrichtung parallel verlaufende, ballige Laufflächen 14, 14' angeordnet. Eine solche Ausführungsform ist in 5a und 5b dargestellt. Dabei sind die Laufflächen so ausgelegt, dass im Stoßbereich 2 über jedes der sich überlappenden Ringenden 5, 6 ein Laufflächenbereich 10, 12 hinweg verläuft. In diesem Fall kann grundsätzlich die Lauffläche ebenfalls von beiden Seiten her vor dem Stoßspalt auslaufen. Allerdings ist es hier bevorzugt, dass die Lauffläche über den Stoßbereich hinweg durchgehend verläuft, so dass -bis auf einen minimalen Spalt - zwei durchgehende, parallele ballige Laufflächen entstehen. Auch hier können die beiden Laufflächen 14, 14' auf der übrigen Umfangsfläche des Rings außerhalb des Stoßbereichs 2 gerade oder anders verlaufen. Durch die doppelte Balligkeit wird außerdem eine Ölführung auch in Umfangsrichtung erzeugt, die damit die Versorgung der Zylinderlaufflächen mit einem gleichmäßigen Ölfilm sicherstellt. Die balligen Laufflächen können speziell auf die überlappenden Bereiche so abgestimmt sein, dass beide Einzelteile unabhängig voneinander eine geeignete Balligkeit aufweisen, die zu einer ausreichenden Hydrodynamik und Dichtwirkung führt.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es auch denkbar, dass mehr als zwei ballige Laufflächen vorhanden sind, oder dass beispielsweise ein Ring mit einer mittigen Zunge an einem Ringende und einer mittigen Ausnehmung bzw. zwei Randbereichen am anderen Ringende versehen ist; in diesem Fall könnte eine über den Umfang verlaufende Lauffläche dann am Stoßbereich beispielsweise in zwei auseinanderlaufende ballige Laufflächenbereiche verzweigt werden. Dem Fachmann werden weitere Ausführungsformen unter Ausnutzung der erfinderischen Idee ersichtlich sein.
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Das Profil der balligen Lauffläche 14 kann sich über den Umfang des Rings hinweg verändern. Beispielsweise könnte das Laufflächenprofil im Stoßbereich 2 jeweils schmaler sein als auf der übrigen Umfangsfläche. Ebenso könnte aber das Profil überall gleich ausgebildet sein. Falls zwei oder sogar mehr getrennte ballige Laufflächen vorhanden sind, können diese gleiche oder unterschiedliche Profile aufweisen. Dies gilt sowohl für die Flankenwinkel der Lauffläche als auch für Breite, Höhe oder die allgemeine Form. Die Laufflächenprofile können symmetrisch (wie in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt) oder auch asymmetrisch ausgestaltet sein, so dass der Scheitelpunkt der Lauffläche beispielsweise nicht in der Mitte der Laufflächenbreite verläuft oder seine Lage innerhalb der Lauffläche verändert. Entsprechend kann der in den Zeichnungen und Beispielen skizzierte und beschriebene Verlauf der Lauffläche sich beispielsweise auf die geometrische Mitte oder den Scheitelpunkt der Lauffläche beziehen.
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In weiteren Ausführungsformen könnte der Stoßbereich 2 teilweise durch Schrägen gestaltet sein, die dann einen überlappenden Bereich ergeben, wie in 1c bereits ohne Laufflächen gezeigt. In diesem Fall kann auch der ballige Laufflächenbereich 5, 6 im Stoßbereich entweder schräg verlaufen, also im Wesentlichen parallel zur Schräge des Stoßes, oder könnte wiederum in der Nähe der Schräge eine Stufe im Verlauf zeigen (nicht gezeigt). Auch hier entstehen im Stoßbereich zwei im Wesentlichen parallele ballige Laufflächenbereiche 5, 6, die optional parallel zur Stoßschräge verlaufen. Neben der vollen Schräge am Stoß sind natürlich auch andere Ausführungen von Überlappungen möglich, wie etwa eine Kombination aus einer Schräge und einer Abstufung.
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Neben einteiligen Ringen kann die Erfindung auch auf mehrteilige Ringe angewandt werden, die aus mehreren Ringsegmenten bestehen. Diese Ringsegmente könnten jeweils überlappende Stoßbereiche 2 bzw. Anschlußbereiche an das nächste Ringsegment aufweisen; in jedem der Stoßbereiche 2 können dann ballige Laufflächen wie vorher für den einteiligen Ring beschrieben ausgeführt sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausführungen der Laufflächen und der Stoßbereiche beliebig miteinander kombinierbar sind. Beispielsweise sind die Ausführungsformen der Erfindung, die für einen gasdichten Stoß gezeigt wurden, ohne weiteres auf einen überlappenden Stoß, einen schrägen Stoß oder auf anders ausgelegte Stoßbereiche mit teilweise überlappender Umfangsfläche übertragbar.
