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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, dessen der Zylinderwand gegenüberliegende Fläche ein in Längsrichtung kontrolliert wellenförmig ausgebildetes Profil erhält, welches in Kombination mit der Aufbringung einer homogenen verschleißfesten Schicht, die das Wellenprofil der Oberfläche nachahmt, die Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils zum Ziel hat, da die Nutzdicke der verschleißfesten Schicht zwischen Wellenkamm und Wellental der Fläche größer als die real aufgebrachte Dicke der verschleißfesten Schicht ist.
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Als zusätzlicher Vorteil wird eine höhere Schmierleistung der Oberfläche des Kolbenrings erwartet, was zu noch niedrigeren Verschleißraten führt, wodurch sich die zu erwartende Haltbarkeitsdauer des Bauteils erhöht.
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Verbrennungsmotoren, die nach Otto- und Dieselzyklen arbeiten, enthalten im Wesentlichen einen Motorblock (in welchem ein oder mehrere Zylinder und der Kurbelwellensatz oder die Kurbeltriebeinheit angeordnet sind), im Verbund mit einem oder mehreren Zylinderköpfen. Der Kurbelwellensatz besteht aus Kolben, Pleuelstangen und einer Kurbelwelle.
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Der Raum zwischen Kolbenoberseite, Zylinderwand und Zylinderkopfbasis entspricht dem Brennraum, in dessen Innenraum der Motor die durch die Verbrennung der Mischung (aus Brennstoff und Luft) erzeugte chemische Energie in mechanische Arbeit umwandelt, die in der Lage ist, durch Druck die Räder in Bewegung zu setzen.
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Um eine gleichmäßige Verbrennung zu garantieren, bei der kein Öl verbrannt wird, und um einen zu hohen Gasdurchtritt vom Zylinder zum Kurbelgehäuse zu vermeiden, ist die Verwendung von Kolbenringen erforderlich, um eine gute Abdichtung des zwischen Kolben und Zylinderwand vorhandenen Spielraums zu erreichen. Der Kompressionsring hat die Funktion, den Durchtritt von Verbrennungsgasen ins Innere des Motorgehäuses zu verhindern und außerdem als Wärmebrücke vom Kolben zur Zylinderwand/Zylinderlaufbuchse zu dienen, an der die Wärme durch das Kühlsystem abgebaut wird.
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Im Regelfall bestehen Kompressionsringe aus einer Metallbasis, auf welche mindestens eine Beschichtungsschicht aufgebracht wird, die mit der Zylinderwand in Kontakt kommt. Dem Papier der Beschichtungsschicht kommt besondere Bedeutung zu, da es dem Kolbenring eine niedrige Gleitreibung, hohe Abschuppungsfestigkeit, Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit verleihen soll.
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Im Hinblick auf die Erhöhung der Verschleißfestigkeit hat sich auch die Entwicklung von hochsteifen Beschichtungen intensiviert. Jedoch weisen solche hochsteifen Beschichtungen in der Regel Einschränkungen bei der möglichen Dicke der Beschichtung auf, aus technischer Sicht durch den Anstieg der Spannungskonzentrationen in hochsteifen Beschichtungen, die zum Abplatzen der Beschichtungsschicht und Motorausfall bei laufendem Betrieb (Spalling) führen können, und aus wirtschaftlicher Sicht durch die hohen Kosten, die bei der Verwendung solcher extrasteifen Schichten anfallen.
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Um diesen Nachteilen abzuhelfen, hat die Erfindung Lösungen vorgeschlagen, um die Verschleißrate von Kolbenringen durch Optimierung des Oberflächendesigns des Kolbenrings, der mit der Zylinderlaufbuchse interagiert, zu verringern.
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Das Europäische Patent
EP 1 586 405 zeigt als eine mögliche Ausführungsform der Erfindung einen Kolbenring auf, der mit einer äußeren, in der Größenordnung von 0,2 µm gewellten Oberfläche versehen ist. Die Funktion dieser gewellten Oberfläche besteht laut
EP 1 584 405 darin, während des normalen Motorbetriebs Schmieröl in den Wellentälern der gewellten Oberfläche zurückzuhalten und damit dem Verbund von Kolbenring und Zylinderlaufbuchse eine geringere Abnutzung und eine längere Haltbarkeit zu verleihen. Es fehlt jedoch jede Erwähnung eines Beschichtungsverfahrens durch PVD (physical vapour deposition = physikalische Gasphasenabscheidung) sowie irgendein Hinweis darauf, dass dadurch die Lebensdauer des Bauteils verlängert werden könnte.
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Das nordamerikanische Patent
US 8.381.695 zeigt eine Zylinderlaufbuchse auf, die auf ihrer Innenseite ein mikro-gewelltes Oberflächenmuster aufweist, das zur Reduzierung der Reibung und Erhöhung der Langlebigkeit der Motorteile beiträgt, dadurch, dass durch die Bildung eines effizienteren Schmierölfilms eine verbesserte Schmierwirkung eintritt.
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Und schließlich betrifft das
brasilianische Patent PI 0902385-2 der Anmelderin selbst ein Lager zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, das mindestens auf einem Teil seiner Oberfläche eine raue hydrodynamische Tragfläche umfasst, um damit im Schmieröl vorhandene Feststoffteilchen erfassen zu können. Das dort definierte Lagersegment umfasst mindestens einen ersten kompressionsdruckfreien Bereich sowie einen zweiten Bereich, an dem der erste Bereich mindestens einen Flächenanteil zum Erfassen von in der Schmierölschicht vorhandenen Fremdkörpern besitzt, der eine Vielzahl von Ausnehmungen enthält, die so angeordnet sind, dass sie es ermöglichen, dass mindestens ein Fremdkörper, während er sich in Richtung des Schmierölflusses bewegt, bevor er den zweiten Bereich erreicht, von mindestens einer der Ausnehmungen eingefangen und zurückgehalten wird.
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Aber auch dieses Patent sagt nichts über die Verwendung einer PVD-Beschichtung (physical vapour deposition) aus und spricht an keiner Stelle von einer Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bis zum heutigen Zeitpunkt noch kein Kolbenring entwickelt wurde, dessen seitliche, der Zylinderwand gegenüberliegende Fläche mit einer Vielzahl kleiner Ausnehmungen versehen ist, welche die Verlängerung der Lebensdauer eines Motorbauteils ermöglichen und als Speicher für die auf ihnen aufgebrachte Beschichtung dienen sowie die Schmierung zwischen beiden verbessern.
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Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, einen Kolbenring vorzuschlagen, dessen der Zylinderwand gegenüberliegende Fläche ein in Längsrichtung kontrolliert wellenförmig ausgebildetes Profil erhält, welches in Kombination mit der Aufbringung einer homogenen verschleißfesten Schicht, die das Wellenprofil der Oberfläche nachahmt, die Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils zum Ziel hat, da die Nutzdicke der verschleißfesten Schicht zwischen Wellenkamm und Wellental der Oberfläche größer als die real aufgebrachte Dicke der verschleißfesten Schicht ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, einen Kolbenring, insbesondere einen Kompressionsring oder einen Ring der ersten Nut vorzuschlagen, der mit einer Beschichtung versehen ist, die durch Schaffung einer gewellten/rauen Fläche, auf welcher nach dem PVD-Verfahren (physical vapour deposition) die Beschichtung aufgebracht wird, eine Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils garantieren soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, einen Kolbenring, insbesondere einen Kompressionsring oder einen Ring der ersten Nut vorzuschlagen, dessen der Zylinderwand gegenüberliegende Fläche vor der Aufbringung einer Beschichtung nach dem PVD-Verfahren (physical vapour deposition) eine Bearbeitung zur Schaffung einer gewellten/rauen Fläche erhält, wodurch zusätzlich eine Verbesserung des Ölfilms, der sich zwischen Kolbenring und Zylinder bildet, erreicht wird.
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden erreicht durch einen Kolbenring der ersten Nut mit einem hauptsächlich ringförmigen Korpus, der eine seitliche Außenfläche im Verbund mit der Zylinderwand oder einer Zylinderlaufbuchse definiert, bei dem auf mindestens einer Teilfläche eine Beschichtung aufgebracht ist, bei welcher mindestens eine Teilfläche eine Endbearbeitung in Form von Wellenkämmen und -tälern aufweist, die vor der Aufbringung der Beschichtung vorgenommen wurde und einen gewellten/rauen Flächenteil definiert, wobei die Beschichtung auf dem gewellten/rauen Flächenteil aufgebracht wird und dort positioniert ist.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Kolbenrings nach dem Stand der Technik,
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2 eine Schnittzeichnung eines Kolbenrings nach dem Stand der Technik,
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3 eine Schnittzeichnung des Kolbenrings, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, vor dem Aufbringen einer Beschichtung durch PVD;
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4 eine Schnittzeichnung des Kolbenrings, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, nach dem Aufbringen einer Beschichtung durch PVD;
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5 eine Schnittzeichnung des Kolbenrings, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, nach dem Aufbringen einer Beschichtung durch PVD, mit einer schematischen Darstellung der seitlichen Außenfläche, die mit einer Zylinderwand in Verbindung gebracht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einer Beschichtung 4 versehenen Kolbenring 1, der durch die Schaffung einer gewellten/rauen Oberfläche 5, auf welche die Beschichtung 4 aufgebracht wird, die Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils garantiert.
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In einer bevorzugten, aber nicht zwingend vorgeschriebenen Ausführungsform nimmt der Ring 1 die Gestalt eines Rings der ersten Nut oder Kompressionsrings an, er kann aber selbstverständlich auch die Gestalt eines Rings der zweiten Nut, eines Ölabstreifrings, eines Rings für Zwei-Takt-Motoren, eines Kompressorrings oder eine sonstige notwendige oder gewünschte Gestalt annehmen. Ferner kann die Beschichtung 4 in einer bevorzugten, aber nicht zwingend vorgeschriebenen Ausführungsform nach dem PVD-Verfahren (physical vapour deposition/physikalische = Gasphasenabscheidung) oder einem beliebigen anderen Auftragsverfahren aufgebracht werden.
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Im Sinne einer grundlegenden Beschreibung umfasst der Kolbenring, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, einen im Wesentlichen ringförmigen Korpus 2, der eine äußere Seitenfläche 3 definiert, der mit der Wand eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbuchse (nicht dargestellt) in Kontakt gebracht werden kann. Mindestens ein Teil der Seitenfläche 3 weist eine Endbearbeitung in der Form eines Musters von Wellenkämmen und -tälern auf, dargestellt in 3, die einen Teil der gewellten/rauen Fläche 5 definiert.
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Es wird darauf hingewiesen, dass es für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung unerheblich ist, ob der Anteil der gewellten/rauen Fläche 5 nur einen Teil oder die gesamte gewellte/raue äußere Seitenfläche 3 ausmacht; sie entspricht jedoch vorzugsweise dem gesamten Bereich der inneren Seitenfläche 3. Ungeachtet der spezifischen Beschaffenheit des gewellten/rauen Oberflächenanteils 5 weist diese einen Rauheitswert auf, der hauptsächlich zwischen Rz 0,2 und Rz 16 liegt, wobei die gewellte Oberfläche durch eine Tiefe zwischen 2 und 100 µm und einer Periode/Frequenz von 2 bis 500 µm definiert ist.
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Das Muster der Rauheit/Wellenform 5 kann auf einer Teilfläche oder auf der gesamten Kontaktfläche des Paares Kolbenring/Zylinderwand angebracht werden, und zwar an bestimmten Stellen lokalisiert oder auf der gesamten Länge des Kolbenringumfangs.
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Die Beschichtung 4 ist auf einem Teil oder auf der gesamten gewellten/rauen Teilfläche 5 aufgebracht und bleibt dort positioniert, wie in den 4 und 5 dargestellt. Vorzugsweise, aber nicht hierauf beschränkt, ist die gesamte Teilfläche 5 von der Beschichtung bedeckt.
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Die Beschichtung 4 kann jede beliebige Gestalt annehmen, vorzugsweise, aber nicht hierauf beschränkt, kann sie alternativ aus (i) keramischem, (ii) galvanischem, (iii) polymerischem, (iv) chemischem o. ä. Material bestehen und sich in Form einer Einfachbeschichtung mit Chromnitrid (CrN und/oder Cr2N), einer Mehrfachbeschichtung mit Chromnitrid (vorwiegend mit wechselnden Schichten von CrN und/oder Cr2N) oder einer Mehrfachbeschichtung mit Chromnitrid und Niobiumnitrid (CrN/NbN) o. ä. darstellen.
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Die Werte von Rauheit und Dicke der Beschichtung sind so ausgelegt, dass während der Lebensdauer des Motors ein geometrisches Merkmal der fertigen Beschichtung darin besteht, dass die Wellentäler, welche die Rauheit bestimmen, noch Beschichtungsmasse enthalten. Wie 5 zeigt, erzeugt das Verschleißmodell für Kolbenringe in einem Motor einen Verschleiß D, der anfänglich dem Abtrag der gesamten Beschichtung auf den Wellenkämmen, welche die Rauheit bestimmen, und schließlich dem Abtrag der Wellenkämme selbst entspricht. Eine weitere neue, innovative und unter den Schutzumfang der Patentansprüche fallende Erfindung stellt das Herstellungsverfahren des vorliegenden Kolbenrings 1 dar, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Etappen umfasst:
- (i) gewellte Oberfläche, die durch einen Bearbeitungsprozess mit anschließender Aufbringung eines verschleißfesten Überzugs erzeugt wird, oder
- (ii) gewellte Oberfläche, die direkt mit dem Rohmaterial zur anschließenden Aufbringung eines verschleißfesten Überzugs geliefert wird.
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Der gewellte/raue Flächenanteil 5 wird durch Bearbeitung der Seite des Kolbenrings, auf welcher dieser mit der Zylinderwand in Kontakt kommt, erzielt, oder er wird alternativ direkt mit dem Grundmaterial für die Kolbenringherstellung in Form eines vorprofilierten Streifens geliefert.
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Vorstehend wurde ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben; dennoch umfasst der Umfang der vorliegenden Erfindung weitere mögliche Varianten, die nur durch den Inhalt der beigefügten Patentansprüche, einschließlich möglicher Äquivalente, beschränkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1586405 [0009]
- EP 1584405 [0009]
- US 8381695 [0010]
- BR 0902385-2 [0011]
