DE102016205837A1

DE102016205837A1 - Anordnung eines ersten Kolbenrings benachbart zu einem zweiten Kolbenring in einer Nut eines Hubkolbens einer Hubkolben-Brennkraftmaschine und eine Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016205837A1
Application number: DE102016205837.1A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kloft; Wolfgang Demmelbauer-Ebner; Klaus Dieckhoff; Maik Bromann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines ersten Kolbenrings (10) mit einem ersten Ringstoß (12) benachbart zu einem zweiten Kolbenring (14) mit einem zweiten Ringstoß (16) in einer Nut (18) eines Hubkolbens (20) einer Hubkolben-Brennkraftmaschine derart, dass der erste Ringstoß (12) und der zweite Ringstoß (16) nicht überlappend angeordnet sind, wobei der erste Kolbenring (10) in einem von dem ersten Ringstoß (12) beabstandeten Bereich und der zweite Kolbenring (14) in einem von dem zweiten Ringstoß (16) beabstandeten Bereich mindestens ein Mittel zur formschlüssigen, reibschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verdrehbegrenzung (22) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines ersten Kolbenrings mit einem ersten Ringstoß benachbart zu einem zweiten Kolbenring mit einem zweiten Ringstoß in einer Nut eines Hubkolbens einer Hubkolben-Brennkraftmaschine derart, dass der erste Ringstoß und der zweite Ringstoß nicht überlappend angeordnet sind.
Viele Hubkolben von Hubkolben-Brennkraftmaschinen weisen, verteilt über die sich in Verfahrrichtung des Hubkolbens erstreckende Höhe, drei umlaufende Nuten mit darin eingesetzten Kolbenringen auf. In der Praxis werden viele Kolbenringe eingesetzt, die an einer als Ringstoß bezeichneten Stelle unterbrochen sind. Zur Montage dieser Ringe werden diese im Bereich des Ringstoßes aufgespreizt und dann über den Hubkolben in die gewünschte Nut eingesetzt.
Es ist grundsätzlich unerwünscht, dass Öl, das zur Kühlung und Schmierung in Hubkolben-Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, während des Betriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine durch den Ringstoß in den Brennraum gefördert wird. Diese Gefahr besteht insbesondere in Phasen mit einem Unterdruck im Brennraum.
Aus CH 200145 A ist ein aus mehreren Scheibenringen bestehender Kolbenring bekannt, wobei mindestens zwei Scheibenringe je eine Ausbuchtung aufweisen sollen, die in eine Teilfuge eines benachbarten Scheibenringes hineinragt. Damit soll vermieden werden, dass sich die Ringe so zueinander verdrehen, dass die Teilfugen sämtlicher Scheibenringe übereinanderliegend angeordnet sind. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die Teilfuge stets eine auf die korrespondierende Ausbuchtung abgestimmte Mindestgröße aufweisen muss, damit die Ausbuchtung in den Spalt eingreifen und damit eine Verdrehung wirksam vermeiden kann. Darüber hinaus ist die Ausbildung der beschriebenen Ausbuchtungen aufgrund der erforderlichen Verformung herstellungstechnisch und funktionstechnisch aufgrund der in den Ausbuchtungen entstehenden schrägen Flächen problematisch, insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass sich die Größe der Teilfugen – insbesondere abhängig von Druck und Temperatur im Bereich des Hubkolbens – verändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung eines ersten Kolbenrings mit einem ersten Ringstoß benachbart zu einem zweiten Kolbenring mit einem zweiten Ringstoß zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig einer Überlappung des ersten Ringstoßes und des zweiten Ringstoßes im Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine entgegenwirkt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung ist ein erster Kolbenring mit einem ersten Ringstoß benachbart zu einem zweiten Kolbenring mit einem zweiten Ringstoß in einer Nut eines Hubkolben derart angeordnet, dass der erste Ringstoß und der zweite Ringstoß nicht überlappend angeordnet sind. Dabei weist der erste Kolbenring in einem von dem ersten Ringstoß beabstandeten Bereich und der zweite Kolbenring in einem von dem zweiten Ringstoß beabstandeten Bereich mindestens ein von dem ersten Ringstoß und dem zweiten Ringstoß unabhängiges Mittel zur formschlüssigen, reibschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verdrehbegrenzung des ersten Kolbenrings gegenüber dem zweiten Kolbenring auf. Mit „von dem Ringstoß unabhängig“ ist gemeint, dass das Mittel unabhängig von dem Ringstoß seine Funktion ausführen können soll. Mit dem Begriff Verdrehbegrenzung ist gemeint, dass eine Verdrehung durch starre Fixierung des ersten Kolbenrings gegenüber dem zweiten Kolbenring unterbunden wird oder dass eine begrenzte relative Verdrehung der Kolbenringe zueinander zwar konstruktiv zugelassen wird, einer Verdrehung aber in dem Maße entgegengewirkt wird, dass eine Überlappung des ersten Ringstoß und des zweiten Ringstoßes im Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine sicher vermieden wird. Die Verdrehbegrenzung kann durch Formschluss, Reibschluss und/oder Stoffschluss bewirkt werden. Hinsichtlich eines Reibschlusses wird beispielhaft auf eine Mikroverzahnung oder Rändelung verwiesen, die derart ausgelegt sein kann, dass bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Hubkolbens in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine ein Überlappen des ersten Ringstoßes und des zweiten Ringstoßes sicher vermieden wird. Dazu kann es – abhängig vom Typ der Hubkolben-Brennkraftmaschine – sinnvoll oder auch notwendig sein, eine reibschlussbasierte Verdrehbegrenzung mit einer formschlüssigen Verdrehbegrenzung (z.B. in Form von Anschlägen) zu kombinieren. Als Beispiel für eine stoffschlüssige Verdrehbegrenzung wird auf die Möglichkeit einer Fixierung der Ringe zueinander, insbesondere in nur einem Fixierbereich, mittels eines geeigneten Klebstoffs oder durch Verschweißen verwiesen.
Durch die Anordnung der Mittel zu Verdrehbegrenzung beabstandet von dem jeweiligen Ringstoß kann der jeweilige Ringstoß unabhängig von den Mitteln zur Verdrehbegrenzung beliebig ausgelegt und konstruktiv gestaltet werden. Insbesondere kann die sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite des Ringstoßes in Umfangsrichtung auf ein Minimalmaß reduziert werden.
Während des Betriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine treten sehr hohe Temperaturen auf, die unter anderem zu einer Ausdehnung des ersten Kolbenrings, des zweiten Kolbenrings und des Hubkolbens führen. Um zu verhindern, dass es aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung des ersten Kolbenrings und des zweiten Kolbenrings zu Spannungen kommt, die zu einer Verformung oder gar einem Bruch von einem der Kolbenringe führen könnten, ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Verdrehbegrenzung jeweils in genau einem Kopplungsbereich wirkend angeordnet oder ausgebildet sind, wobei sich der Kopplungsbereich an dem ersten Kolbenring und an dem zweiten Kolbenring jeweils über einen Winkelbereich von maximal 45° erstreckt. Bevorzugt ist der Winkelbereich des Kopplungsbereiches deutlich kleiner als 45°, insbesondere maximal 20°, weiter bevorzugt maximal 10° und besonders bevorzugt maximal 5°. Bei einem stoffschlüssigen Mittel zur Verdrehbegrenzung kann sich der eine Kopplungsbereich auf einen punktförmigen Kopplungsbereich beschränken. Außerhalb des einen, sich möglichst nur über einen kleinen (bogenförmigen oder punktuellen) Kopplungsbereichs können sich der erste Kolbenring und der zweite Kolbenring dann jeweils unabhängig voneinander ausdehnen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform weist der erste Kolbenring als Mittel zur Verdrehbegrenzung mindestens einen sich zumindest teilweise in Richtung des zweiten Kolbenrings in axialer Verfahrrichtung des Hubkolbens erstreckenden Vorsprung auf. Ferner weist der zweite Kolbenring auf einer in Richtung des ersten Kolbenrings ausgebildeten Fläche eine korrespondierende Öffnung zur Aufnahme des Vorsprungs auf. Durch die Ausbildung eines Vorsprungs an dem ersten Kolbenring und einer korrespondierenden Vertiefung in dem zweiten Kolbenring kann einem Verdrehen des ersten Kolbenrings gegenüber dem zweiten Kolbenring zumindest teilweise formschlüssig entgegengewirkt werden. Die Ausbildung eines Vorsprungs und einer Öffnung kann kostengünstig und einfach erfolgen, insbesondere mittels eines abtragenden Fertigungsverfahrens, worauf im Folgenden noch Bezug genommen wird.
Um keine zusätzliche Durchgangsöffnung zu erzeugen, durch welche Öl in Richtung Brennraum gefördert werden kann, ist es bevorzugt, wenn die Öffnung in dem zweiten Ring eine nicht durchragende Vertiefung ist. Eine derartige Vertiefung kann insbesondere als Sackloch oder in Form einer sich über die gesamte in radialer Richtung erstreckende Breite eines Ringes erstreckende Kerbe ausgebildet sein. Die Ausbildung von Kerben ist einfacher und kostengünstiger herstellbar als ein Sackloch.
Um einerseits eine ausreichende Festigkeit, insbesondere zur Vermeidung von Ringbrüchen, des zweiten Kolbenrings auch bei Ausbildung einer Vertiefung zu gewährleisten und andererseits die technische Nutzbarkeit einer Vertiefung sicherzustellen, wird für die Vertiefung bevorzugt mit einer in axialer Verfahrrichtung des Kolbens gemessenen Tiefe von 4 Prozent bis 40 Prozent der ebenfalls in axialer Verfahrrichtung des Kolbens gemessenen Dicke des zweiten Kolbenrings dimensioniert. Weiter bevorzugte Bereiche liegen zwischen 10 und 30 Prozent bzw. zwischen 15 und 25 Prozent. Eine Mindesttiefe ist erforderlich, um einen die Vertiefung seitlich begrenzenden Vorsprung als Anschlag für eine Verdrehbegrenzung nutzen können.
Für einen zweiten Kolbenring mit einer Dicke von 1,0 mm wurde ermittelt, dass die Tiefe der Vertiefung bevorzugt in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm liegt. Korrespondierend dazu kann ein erster Kolbenring eine Höhe von 1,0 mm aufweisen, mit einem Vorsprung mit einer Höhe im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm. Die Gesamthöhe des ersten Kolbenrings und des zweiten Kolbenrings beträgt folglich 2 mm.
Eine besonders einfache und zeitsparende Montage ergibt sich, wenn die in Umfangsrichtung gemessene Länge der Vertiefung des zweiten Kolbenrings um mindestens 0,5 mm größer ist, als die in Umfangsrichtung gemessene Länge des Vorsprungs des ersten Kolbenrings. Bevorzugt ist die Länge der Vertiefung um mindestens 1 mm, weiter bevorzugt um mindestens 2 mm und besonders bevorzugt um mindestens 4 mm größer als die Länge des Vorsprungs in Umfangsrichtung. Je größer die Längendifferenz der Vertiefung im zweiten Kolbenring und des Vorsprungs im ersten Kolbenring, umso leichter können der erste Kolbenring und der zweite Kolbenring gemeinsam in einer Nut angeordnet werden. Die Ausrichtung des Vorsprungs relativ zur Vertiefung ist umso einfacher, je mehr Spiel die Vertiefung für die Aufnahme des Vorsprungs vorgesehen ist. Gleichzeitig soll das Spiel aber möglichst klein gehalten werden, um eine hohe Dichtwirkung zu erzielen. Montageversuche haben gezeigt, dass vor diesem Hintergrund ein Spiel von 0,3 mm bis 0,7 mm besonders geeignet ist, insbesondere ein Spiel von 0,4 mm bis 0,6 mm und besonderes bevorzugt ein Spiel von 0,5 mm +/– 0,05 mm. Diese Werte gelten insbesondere für Vertiefungen mit einer in Umfangsrichtung gemessenen Länge von 14 mm und Vorsprüngen mit einer in Umfangsrichtung gemessenen Länge von 10 mm bis 13,5 mm.
Vorteilhafterweise ist die in axialer Verfahrrichtung des Hubkolbens gemessene Höhe der Nut in dem Hubkolben größer als die Dicke der Summe des ebenfalls in axialer Verfahrrichtung des Hubkolbens gemessenen ersten Kolbenrings und des zweiten Kolbenrings, wenn diese gemeinsam in der Nut angeordnet sind. Insbesondere ist die Höhe der Nut um 0,01 mm bis 0,1 mm größer als die Summe der Dicken des ersten Kolbenrings und des zweiten Kolbenrings. Durch eine solche Toleranzbeaufschlagung wird die Montage der Kolbenringe im Bereich der Nut erleichtert. Ferner erleichtert die Toleranz ein Verdrehen der aus dem ersten Kolbenring und dem zweiten Kolbenring gebildeten Ringeinheit innerhalb der Nut in Umfangsrichtung. Dadurch wird ein gleichmäßiger Verschleiß der Kolbenringe begünstigt.
Um eine besonders gute Abdichtung des Brennraums zu erzielen und den Ölverbrauch gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn der erste Kolbenring oder der zweite Kolbenring ein Rechteck-Kompressionsring ist. Vorzugweise weist der Rechteck-Kompressionsring eine ballige, zur Zylinderwand einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichtete Lauffläche auf. Eine ballige Lauffläche weist einen im Querschnitt gesehen konvexen Verlauf mit einer sich nur über einen Teil der in Verfahrrichtung gemessenen Höhe des Ringes erstreckenden, lokalen maximalen Radialerstreckung auf. Die maximale Radialerstreckung muss – in Hochrichtung betrachtet – nicht zentral ausgebildet sein, sondern kann auch in der oberen Hälfte oder in der unteren Hälfte ausgebildet sein.
Der erste Kolbenring oder der zweite Kolbenring kann ein Minutenring oder ein Nasenminutenring sein. Bei Minutenringen oder Nasenminutenringen ist die Lauffläche zur Zylinderwand in einem sehr geringen (Minuten-)Winkel geneigt, so dass aufgrund der Neigung zwar nur die Unterkante der Lauffläche an der Zylinderwand anliegt, der sich darüber anschließende, zur Zylinderwand gerichtete Abschnitt aber dennoch sehr nah an der Zylinderwand angeordnet ist. Der Winkel zwischen Lauffläche und Zylinderwand liegt bei Minutenringen üblicherweise zwischen 60 bis 240 Winkelminuten.
Die Mittel zur Verdrehbegrenzung an dem ersten Kolbenring und/oder an dem zweiten Kolbenring können einfach und kostengünstig mittels eines abtragenden Fertigungsverfahrens erzeugt werden. Insbesondere können die Mittel zur Verdrehbegrenzung durch Schleifen, Lasern und/oder Ätzen hergestellt werden. Zur Herstellung einer Vertiefung kann beispielsweise an einem Kolbenring der gewünschte Vertiefungsbereich mechanisch und/oder chemisch abgetragen werden. An dem anderen Ring kann ein Vorsprung dadurch erzeugt werden, dass die sich an den zu bildenden Vorsprung anschließenden Ringsegmentbereiche mechanisch und/oder chemisch abgetragen werden. Die sich in radialer Richtung erstreckenden Begrenzungswände der Vertiefung bzw. des Vorsprungs können in rein radialer Richtung oder in nur teilweise radialer Richtung verlaufen. Vorzugsweise sind als Anschlag dienende, korrespondierende Begrenzungswände parallel zueinander ausgerichtet.
Die Erfindung betrifft auch eine – insbesondere wie vorstehend beschriebene – Anordnung in einem Hubkolben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer oberen Nut und mit einer unteren Nut, d.h. insbesondere genau zwei zueinander beabstandeten Umfangsnuten, wobei der erste Kolbenring und der zweite Kolbenring in der oberen Nut angeordnet sind und ein Ölabstreifring in der unteren Nut angeordnet ist. Dabei ist der erste Kolbenring vorzugsweise ein Rechteck-Kompressionsring, und der zweite Kolbenring ist vorzugsweise ein Minutenring oder ein Nasenminutenring. In diesem Fall muss an dem Hubkolben eine Nut weniger ausgebildet werden als bei den aktuell häufig verwendeten Hubkolben mit drei Nuten. Darüber hinaus kann bei der beschriebenen Variante eines Hubkolbens mit nur zwei erforderlichen Nuten die Höhe des Hubkolbens – sofern gewünscht – in axialer Verfahrrichtung dadurch reduziert werden, wodurch zusätzlich Platz und Gewicht eingespart werden können. Dies ermöglicht es darüber hinaus, das Schwingungsverhalten des Hubkolbens bzw. der Hubkolben-Brennkraftmaschine zu optimieren.
Bei den hier beschriebenen ersten Kolbenringen und zweiten Kolbenringen kann es sich insbesondere um Kolbenringe mit einem Außendurchmesser im Bereich von 50 mm bis 200 mm handeln. Die sich in radialer Richtung erstreckende Breite der Ringstege kann insbesondere im Bereich von 1,5 mm–5 mm liegen. Die Ringstöße weisen vorzugsweise – bei Raumtemperatur von 20° Celsius – eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Länge von mindestens 0,1 mm auf, um sicherzustellen, dass sich der Ringstoß in Extremsituationen (z.B. sehr schnelle Erhitzung der Kolbenringe bei noch deutlich geringerer Zylinderwandtemperatur) nicht vollständig schließt, was zu einer zusätzlichen Anpresskraft des Kolbenrings an die Zylinderwand und schließlich zu einer Beschädigung des Zylinderwand (Fressen) führen kann. Die Länge der Ringstöße liegt vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,8 mm.
Die Kolbenringe können insbesondere als Stahlteile durch mechanische Bearbeitung und/oder als Gussteile hergestellt sein.
Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil, dass der erste Kolbenring und der zweite Kolbenring – trotz einer die Kolbenringe miteinander koppelnden Verdrehsicherung – in Umfangsrichtung als gekoppelte Ringeinheit verdrehbar bleiben. Dies begünstigt einen gleichmäßigen Verschleiß von Kolbenringen und Zylinderlauffläche.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 einen ersten Kolbenring und einen zweiten Kolbenring einer erfindungsgemäßen Anordnung (ohne Hubkolben) voneinander beabstandet in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben,
2 den ersten Kolbenring und den zweiten Kolbenring aus 1 voneinander beabstandet in einer Seitenansicht,
3 den ersten Kolbenring und den zweiten Kolbenring aus 1 aneinander anliegend wie in einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Seitenansicht,
4 eine vergrößerte Darstellung des in 3 mit IV gekennzeichneten Bereichs,
5 eine erfindungsgemäße Anordnung mit dem ersten Kolbenring und dem zweiten Kolbenring aus den 1–4 in einer Nut eines Hubkolbens in einem Radialschnitt durch den Hubkolben nur in dem die Nut umgebenden Ausschnitt,
6a eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines ersten Kolbenrings,
6b eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines zweiten Kolbenrings,
7a eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrens zur Herstellung eines ersten Kolbenrings und
7b eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrens zur Herstellung eines zweiten Kolbenrings.
In den 1 bis 4 sind ein erster Kolbenring 10 mit einem ersten Ringstoß 12 und ein zweiter Kolbenring 14 mit einem zweiten Ringstoß 16 dargestellt. Der erste Kolbenring 10 und der zweite Kolbenring 14 dienen der benachbarten Anordnung in einer Nut 18 eines Hubkolbens 20, wie in 5 dargestellt.
Als Mittel zur Verdrehbegrenzung 22 weist der erste Kolbenring 10 beabstandet von dem ersten Ringstoß 12 einen Vorsprung 26 auf und der zweite Kolbenring 14 weist beabstandet vom zweiten Ringstoß 16 eine korrespondierende Vertiefung 28 auf. Der Vorsprung 26 erstreckt sich über einen Teil des Umfangs und in axiale Verfahrrichtung V eines nicht dargestellten Hubkolbens 20 in Richtung des zweiten Kolbenrings 14. Die sich in Umfangsrichtung erstreckende Länge des Vorsprungs 26 ist in 4 mit L₁ gekennzeichnet. Die sich in Verfahrrichtung V des Hubkolbens 20 erstreckende Höhe des Vorsprungs 26 ist in 4 mit H₁ gekennzeichnet.
Korrespondierend zu dem an dem ersten Kolbenring 10 ausgebildeten Vorsprung 26 ist an dem zweiten Kolbenring 14 eine Vertiefung 28 mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Länge L₂ und einer sich in Verfahrrichtung V des Hubkolbens 20 erstreckenden Tiefe T₂ ausgebildet. Die Vertiefung 28 ist als eine den Hubkolben 20 nicht durchdringende Vertiefung 28 ausgebildet, d.h. als bogenförmige Nut. Sowohl die Vertiefung 28 als auch der Vorsprung 26 erstrecken sich in radialer Richtung betrachtet über die gesamte Breite des jeweiligen Kolbenrings 10, 14. Die seitlichen Wände der in dem zweiten Kolbenring 14 ausgebildeten Vertiefung 28 legen den Bereich fest, innerhalb dessen sich der erste Kolbenring 10 sich mit seinen in die Vertiefung 28 eingreifenden Vorsprung 26 verdrehen kann. Die Vertiefung 28 kann daher auch als Kopplungsbereich 24 angesehen werden, da der erste Kolbenring 10 und der zweite Kolbenring 14 durch die Wirkung der als Anschläge dienenden, sich in Verfahrrichtung V des Hubkolbens 20 erstreckenden Wände, die mit dem Vorsprung 26 zusammenwirken, insoweit gekoppelt sind, als sie sich relativ zu einander nur über eine (Bogen-)Länge von L₂–L₁ verdrehen können. Die als Kopplungsbereich 24 dienende Vertiefung 18 erstreckt sich vorliegend über einen Winkelbereich von ca. 10°.
Wie in 1 zu erkennen ist, sind der erste Ringstoß 12 und der zweite Ringstoß 16 relativ zueinander so ausgerichtet, dass sie sich nicht überlappen, wenn die Kolbenringe 10, 14 in Umfangsrichtung zueinander so ausgerichtet sind, dass der Vorsprung 26 in die Vertiefung 28 eingreifen kann. Um einem Verdrehen des ersten Kolbenrings 10 gegenüber dem zweiten Kolbenring 14 derart entgegenzuwirken, dass sich der erste Ringstoß 12 und der zweite Ringstoß 16 im Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine nicht überlappen können, werden der erste Kolbenring 10 und der zweite Kolbenring 14 wie in 3 dargestellt so benachbart zueinander in einer Nut eines Hubkolbens 20 (vgl. 4) angeordnet, dass der am ersten Kolbenring 10 ausgebildete Vorsprung 26 in die am zweiten Kolbenring 14 ausgebildete Vertiefung 28 eingreift und das Spiel zwischen dem ersten Kolbenring 10 und dem zweiten Kolbenring 14 in dieser Anordnung in Verfahrrichtung V des Hubkolbens 20 innerhalb der Nut Hubkolbens 20 kleiner ist als die bei unmittelbar benachbart aneinander anliegender Kolbenring wirksame Höhe H₁ des Vorsprungs 26. Eine relative Verdrehung zwischen dem ersten Kolbenring 10 und dem zweiten Kolbenring 14 ist somit formschlüssig insoweit begrenzt, dass sich die Ringstöße 12, 16 nicht überlappend anordnen können.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Vertiefung 28 in dem zweiten Kolbenring 14 in Umfangsrichtung eine Länge L₂ von 14 mm und eine Tiefe T₂ von 0,2 mm auf. Der Vorsprung 26 weist eine Länge L₁ von 12 mm und eine Höhe H₁ von 0,2 mm auf. Demnach kommen die zueinander gerichteten Flächen des ersten Kolbenrings 10 und des zweiten Kolbenrings 14 zur Anlage. Die Dicke D₁ des ersten Kolbenrings 10 ohne den Vorsprung 26 beträgt 1,0 mm und die Dicke D₂ des zweiten Kolbenrings 14 beträgt 1,0 mm.
In 5 ist eine Anordnung des ersten Kolbenrings 10 und des zweiten Kolbenrings 14 in einer Nut 18 eines Hubkolbens 20 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) gezeigt. Der Hubkolben 20 wird entlang an einer Zylinderwand 30 in einer axialen Verfahrrichtung V bewegt.
Der erste Kolbenring 10 und der zweite Kolbenring 14 sind in der Nut 18 derart angeordnet, dass der erste Ringstoß 12 und der zweite Ringstoß 16 sich nicht überlappen, so dass einer Förderung von Öl durch die Ringstöße 12, 16 in Richtung B zum Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine entgegengewirkt wird. Wie in 5 erkennbar ist, ist der erste Kolbenring 10 vorliegend als Rechteck-Kompressionsring mit einer balligen Lauffläche 32 ausgebildet. Der zweite Kolbenring 14 ist als Minutenring ausgebildet, dessen Lauffläche 34 in einem sehr kleinen Winkel D (hier übertrieben dargestellt, um den Winkel erkennbar zu machen) zur Zylinderwand 30 verläuft. Der Winkel D beträgt in der gezeigten Ausführungsform 60 (Winkel-)Minuten.
Die Höhe der Nut 18 H_N ist etwas größer als die Summe der Dicke D₁ des ersten Kolbenrings 10 und der Dicke D₂ des zweiten Kolbenrings 14. Dadurch können sich der erste Kolbenring 10 und der zweite Kolbenring 14 gemeinsam in der Nut 18 bewegen, insbesondere drehen. Selbst wenn der erste Kolbenring 10 und der zweite Kolbenring 14 sich in Verfahrrichtung V betrachtet innerhalb der Nut 18 maximal weit voneinander entfernen, bleibt der Vorsprung 26 im Eingriff mit der Vertiefung 28.
In den 6a und 6b ist ein erstes Verfahren zur Herstellung eines ersten Kolbenrings 10 mit nur einem Vorsprung 26 (6a) und ein erstes Verfahren zur Herstellung eines zweiten Kolbenrings 14 mit nur einer Vertiefung 28 durch schleifende Bearbeitung dargestellt (6b).
Gemäß dem in 6a skizzierten Verfahren wird der erste Kolbenring 10 mittels eines Schleifwerkzeugs 36 in zwei Richtungen geschliffen, insbesondere mittels einer Schleifscheibe. Die jeweilige relative Ausrichtung des Schleifwerkzeugs 36 gegenüber dem ersten Kolbenring 10 während der schleifenden Bearbeitung in 6a mit 36a und 36b gekennzeichnet. Wie aus der 6a ersichtlich ist, wird durch die nicht schleifende Bearbeitung in dem Kopplungsbereich 24 ein Vorsprung 26 erzeugt, indem dort kein Material abgetragen wird.
Gemäß dem in 6b skizzierten Verfahren, wird in einem zweiten Kolbenring 14 eine Vertiefung 28 dadurch erzeugt, dass ein Schleifwerkzeug 36, insbesondere eine Schleifscheibe, relativ zu dem zweiten Kolbenring 14 in Richtung des Pfeils S₁ in das Ringinnere bis in die mit 36c gekennzeichnete Position bewegt wird. Anschließend wird das Schleifwerkzeug 36, in die mit 36d gekennzeichnete Position verschwenkt und wieder relativ zu dem zweiten Kolbenring 14 in Richtung des Pfeils S₂ aus dem Ringinneren herausbewegt. Durch das schleifende Abtragen von Material wird eine Vertiefung 28 mit Seitenwänden 40 erzeugt.
Wie aus den 6a und 6b ersichtlich ist, sind sowohl die Seitenwände 38 des Vorsprungs 26 als auch die Seitenwände 40 der Vertiefung 28 radial ausgerichtet und korrespondieren somit derart, dass beim Anschlagen der Seitenwände 38 des Vorsprungs 26 an die Seitenwände 40 der Vertiefung 26 Kräfte über die gesamte Fläche der Seitenwände 38 wirken. Dazu ist eine rein radiale Ausrichtung der Seitenwände 38, 40 nicht erforderlich, aber eine korrespondiere Ausrichtung. Eine rein radiale Ausrichtung hat den Vorteil, dass beim Anschlagen einer Seitenwand 38 des Vorsprungs 26 an eine Seitenwand 40 der Vertiefung 28 keine ungewünschten, radial wirkenden Kräfte entstehen, die einen der Kolbenringe 10, 14 zusätzlich in Richtung Zylinderwand pressen würden.
In den 7a und 7b ist ein zweites Verfahren zur Herstellung eines ersten Kolbenrings 10 mit zwei Vorsprüngen 26 (7a) und eines zweiten Kolbenrings 14 mit zwei Vertiefungen 28 (7b) durch schleifende Bearbeitung dargestellt.
Wie in 7a skizziert, wird der erste Kolbenring 10 relativ zu einem Schleifwerkzeug 36, insbesondere einer Schleifscheibe, in einer Richtung S₃ bewegt. Zur Erzeugung der Vorsprünge 26 werden zwei Schleifwerkzeuge 36a und 36b parallel zueinander ausgerichtet in einem Abstand L₁. Durch das schleifende Abtragen von Material im Bereich der Schleifwerkzeuge 36a, 36b werden zwei Vorsprünge 26 mit der Länge L₁ erzeugt.
Gemäß dem in 7b skizzierten Verfahren, werden in einem zweiten Kolbenring 14 zwei Vertiefungen 28 dadurch erzeugt, dass ein Schleifwerkzeug 36, insbesondere eine Schleifscheibe, relativ zu dem zweiten Kolbenring 14 in Richtung des Pfeils S₄ bewegt wird. Durch das schleifende Abtragen von Material werden zwei Vertiefungen 28 mit Seitenwänden 40 erzeugt. Das Schleifwerkzeug 36 weist eine Breite L₂ auf, so dass Vertiefungen 28 mit der Länge L₂ erzeugt werden.
Mit dem in Verbindung mit den 7a und 7b beschriebenen zweiten Verfahren werden Vorsprünge 26 mit Seitenwänden 38 und Vertiefungen 28 mit Seitenwänden 40 erzeugt. Die Seitenwände 38 und die Seitenwände 40 sind zwar nicht radial ausgerichtet. Dafür ist das zweite Verfahren jedoch etwas einfacher und kostengünstiger. Es werden dafür geringfügig radial wirkende Kräfte beim Anschlagen der Seitenwände 38 des Vorsprungs 26 an die Seitenwände 40 der Vertiefung 28 in Kauf genommen. Da die radial wirkenden Kräfte nur während des Anschlags auftreten und sehr gering sind, dürften diese in den meisten Hubkolben-Brennkraftmaschinen ohne die Hubkolben-Brennkraftmaschine spürbar beeinträchtigende Folgen bleiben.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
In dem in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel sind nur in einem Kopplungsbereich 24 (1–6) bzw. in zwei Kopplungsbereichen (7) Mittel zur Verdrehbegrenzung 22 angeordnet, wobei jeweils ein Ring einen oder zwei Vorsprünge und der andere Ring einen oder zwei korrespondierende Vertiefungen aufweist. Es können jedoch auch mehr Kopplungsbereiche (z.B. drei, vier, fünf etc.) über den Umfang des ersten Kolbenrings 10 und des zweiten Kolbenrings 14 verteilt ausgebildet sein, oder Kopplungsbereiche können anders als in den Figuren gezeigt ausgebildet sein. Beispielsweise können an jeweils einem Kolbenring ein Vorsprung und eine Vertiefung ausgebildet sein und an dem anderen Kolbenring eine korrespondierende Vertiefung und ein korrespondierender Vorsprung.
Aus montagetechnischen Gründen sind die in den 1–6 gezeigten Ausführungsformen mit einem ersten Kolbenring mit genau einer Vertiefung und einem zweiten Kolbenring mit genau einem korrespondierenden Vorsprung besonders bevorzugt.
Bezugszeichenliste

10: erster Kolbenring
12: erster Ringstoß
14: zweiter Kolbenring
16: zweiter Ringstoß
18: Nut
20: Hubkolben
22: Mittel zur Verdrehbegrenzung
24: Kopplungsbereich
26: Vorsprung
28: Vertiefung
30: Zylinderwand
32: Lauffläche des ersten Kolbenrings
34: Lauffläche des zweiten Kolbenrings
36: Schleifwerkzeug
38: Seitenwände des Vorsprungs
40: Seitenwände der Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CH 200145 A [0004]

Claims

Anordnung eines ersten Kolbenrings (10) mit einem ersten Ringstoß (12) benachbart zu einem zweiten Kolbenring (14) mit einem zweiten Ringstoß (16) in einer Nut (18) eines Hubkolbens (20) einer Hubkolben-Brennkraftmaschine derart, dass der erste Ringstoß (12) und der zweite Ringstoß (16) nicht überlappend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenring (10) in einem von dem ersten Ringstoß (12) beabstandeten Bereich und der zweite Kolbenring (14) in einem von dem zweiten Ringstoß (16) beabstandeten Bereich mindestens ein von dem ersten Ringstoß (12) und dem zweiten Ringstoß (16) unabhängiges Mittel zur formschlüssigen, reibschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verdrehbegrenzung (22) des ersten Kolbenrings (10) gegenüber dem zweiten Kolbenring (14) aufweist.
Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verdrehbegrenzung (22) jeweils in genau einem Kopplungsbereich (24) wirkend angeordnet oder ausgebildet sind, wobei sich der Kopplungsbereich (24) an dem ersten Kolbenring (10) und an dem zweiten Kolbenring (14) jeweils über einen Winkelbereich von maximal 45° erstreckt.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenring (10) als Mittel zur Verdrehbegrenzung (22) mindestens einen, sich zumindest teilweise in Richtung des zweiten Kolbenringes (14) und in axiale Verfahrrichtung (V) des Hubkolbens (20) erstreckenden Vorsprung (26) aufweist und der zweite Kolbenring (14) auf einer in Richtung des ersten Kolbenringes (10) ausgebildeten Fläche eine korrespondierende Öffnung zur Aufnahme des Vorsprungs (26) aufweist.
Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung in dem zweiten Kolbenring (14) eine den zweiten Kolbenring (14) nicht durchragende Vertiefung (28) ist.
Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (28) eine in axialer Verfahrrichtung (V) des Hubkolbens (20) gemessene Tiefe T₂ von 4 Prozent bis 40 Prozent der in axialer Verfahrrichtung (V) des Hubkolbens (20) gemessenen maximalen Dicke D₂ des zweiten Kolbenrings (14) aufweist.
Anordnung nach einem oder mehreren der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung gemessene Länge L₂ der Vertiefung (28) des zweiten Kolbenrings (14) um mindestens 0,5 mm größer ist als die in Umfangsrichtung gemessene Länge (L₁) des Vorsprungs (26) des ersten Kolbenrings (10).
Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenring (10) oder der zweite Kolbenring (14) ein Rechteck-Kompressionsring ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenring (10) oder der zweite Kolbenring (14) ein Minutenring oder Nasenminutenring ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verdrehbegrenzung (22) an dem ersten Kolbenring (10) und/oder an dem zweiten Kolbenring (14) durch ein abtragendes Fertigungsverfahren hergestellt sind.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche in einem Hubkolben (20) einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer oberen Nut (18) und mit einer unteren Nut, wobei der erste Kolbenring (10) und der zweite Kolbenring (14) in der oberen Nut (18) angeordnet sind und ein Ölabstreifring in der unteren Nut angeordnet ist.