DE102020101230A1 - Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und darin eingebetteten Fasern, welcher Kolbenring eine Achse definiert und eine Innenumfangsfläche, eine davon radial beabstandete Außenumfangsfläche und eine Aufweitöffnung umfasst, wobei der Kolbenring unter Vergrößerung der Aufweitöffnung in Umfangsrichtung der Achse aufweitbar ist, wobei die Fasern am Kolbenring abschnittsweise unterschiedliche Orientierungen aufweisen, wobei die Fasern, zumindest an einem im Abstand zur Aufweitöffnung angeordneten Verformungsabschnitt, entlang einer Dickenrichtung des Kolbenrings radial von der Innenumfangsfläche zur Außenumfangsfläche, unterschiedliche Orientierungen aufweisen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes.The present invention relates to a piston ring made of a fiber composite material with a matrix and fibers embedded therein, which piston ring defines an axis and comprises an inner circumferential surface, an outer circumferential surface radially spaced therefrom and an expansion opening, the piston ring being expandable in the circumferential direction of the axis by enlarging the expansion opening, wherein the fibers on the piston ring have different orientations in sections, the fibers having different orientations, at least at a deformation section arranged at a distance from the expansion opening, along a thickness direction of the piston ring radially from the inner circumferential surface to the outer circumferential surface. The invention also relates to a piston machine and a method for producing a piston ring.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und darin eingebetteten Fasern.The present invention relates to a piston ring made of a fiber composite material with a matrix and fibers embedded therein.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine mit mindestens einem derartigen Kolbenring und ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes.The invention also relates to a piston machine with at least one such piston ring and a method for producing a piston ring.

Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner die Verwendung mindestens eines Kolbenringes der vorstehend genannten Art.The present disclosure further includes the use of at least one piston ring of the type mentioned above.

Die WO 2018/234244 A1 beschreibt unterschiedliche Ausführungsformen von Kolbenringen, die jeweils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und darin eingebetteten Fasern bestehen. Diese Kolbenringe umfassen eine freie Kohlenstoffphase mit einem Volumenanteil von mindestens ca. 5 %, wodurch der jeweilige Kolbenring selbst Schmiereigenschaften aufweist, um die Schmiereigenschaften des Motors zu unterstützen. Durch eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere aufgrund der Carbide, wird ein Delaminieren des Kolbenrings wirkungsvoll vermieden. Der Kolbenring weist eine hohe Temperaturstabilität auf und ist trotz der Schmiereigenschaften verschleißfest.the WO 2018/234244 A1 describes different embodiments of piston rings, each made of a fiber composite material with a matrix and fibers embedded therein. These piston rings comprise a free carbon phase with a volume fraction of at least approx. 5%, as a result of which the respective piston ring itself has lubricating properties in order to support the lubricating properties of the engine. Delamination of the piston ring is effectively avoided by a high mechanical stability, in particular due to the carbides. The piston ring has a high temperature stability and is wear-resistant despite the lubricating properties.

In der WO 2018/234244 A1 sind darüber hinaus Verfahren zum Herstellen der unterschiedlichen Kolbenringe beschrieben.In the WO 2018/234244 A1 processes for manufacturing the different piston rings are also described.

Bekannt sind darüber hinaus Kolbenringe aus metallischen Ringstrukturen, die zur Steigerung der Verschleißfestigkeit beschichtet sein können, beispielsweise mit einer sogenannten „diamond-like carbon“ (DLC)-Beschichtung. Nachteil hierbei ist die spröde Beschaffenheit der DLC-Schicht, wodurch diese anfällig für Schädigungen mit der Folge des Versagens der funktionellen Schicht ist. In addition, piston rings made of metallic ring structures are known which can be coated to increase wear resistance, for example with a so-called “diamond-like carbon” (DLC) coating. The disadvantage here is the brittle nature of the DLC layer, as a result of which it is susceptible to damage resulting in failure of the functional layer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolbenring aus einem Faserverbundwerkstoff bereitzustellen, welcher Kolbenring verbesserte funktionelle Eigenschaften aufweist.The object of the present invention is to provide a piston ring made of a fiber composite material, which piston ring has improved functional properties.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenring aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und darin eingebetteten Fasern gelöst, welcher Kolbenring eine Achse definiert und eine Innenumfangsfläche, eine davon radial beabstandete Außenumfangsfläche und eine Aufweitöffnung umfasst, wobei der Kolbenring unter Vergrößerung der Aufweitöffnung in Umfangsrichtung der Achse aufweitbar ist, wobei die Fasern am Kolbenring abschnittsweise unterschiedliche Orientierungen aufweisen, wobei die Fasern, zumindest an einem im Abstand zur Aufweitöffnung angeordneten Verformungsabschnitt, entlang einer Dickenrichtung des Kolbenrings radial von der Innenumfangsfläche zur Außenumfangsfläche, unterschiedliche Orientierungen aufweisen.This object is achieved according to the invention by a piston ring made of a fiber composite material with a matrix and fibers embedded therein, which piston ring defines an axis and comprises an inner circumferential surface, an outer circumferential surface radially spaced therefrom and an expansion opening, the piston ring being expandable in the circumferential direction of the axis while enlarging the expansion opening The fibers on the piston ring have different orientations in sections, the fibers having different orientations along a thickness direction of the piston ring radially from the inner circumferential surface to the outer circumferential surface, at least at a deformation section arranged at a distance from the expansion opening.

Über die Orientierungen der Fasern können die mechanischen Eigenschaften des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung gezielt beeinflusst werden. Zur Montage ist der Kolbenring unter Vergrößerung der Aufweitöffnung aufzuweiten. Die Aufweitöffnung kann insbesondere voneinander zugewandten Stirnseiten des Kolbenringes begrenzt sein („Ringstoß“), die relativ zueinander in größeren Abstand gebracht werden. Durch die Aufweitung wird der Kolbenring mechanisch beansprucht, wobei an dem im Abstand zur Aufweitöffnung angeordneten Verformungsabschnitt die größte Spannung auftritt. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, zumindest am Verformungsabschnitt, entlang der Dickenrichtung von der Innenumfangsfläche zur Außenumfangsfläche, unterschiedliche Orientierungen der Fasern vorzusehen. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, dass der Kolbenring, zumindest am Verformungsabschnitt, unterschiedliche Steifigkeiten radial innenseitig, radial außenseitig und/oder dazwischen aufweist. Zum einen ist dadurch die Möglichkeit gegeben, eine hinreichende Verformbarkeit zur verbesserten Montage sicherzustellen. Zum anderen ist die Möglichkeit gegeben, hinreichend gute Reibeigenschaften an der Außenumfangsfläche vorzusehen. Je nach Einsatz und zu erzielender Beschaffenheit kann der Kolbenring mit geeigneter Steifigkeit bereitgestellt werden.The mechanical properties of the piston ring according to the present invention can be influenced in a targeted manner via the orientations of the fibers. For assembly, the piston ring must be widened by enlarging the expansion opening. The expansion opening can be delimited in particular facing end faces of the piston ring (“ring joint”), which are spaced at a greater distance relative to one another. As a result of the expansion, the piston ring is mechanically stressed, with the greatest stress occurring at the deformation section arranged at a distance from the expansion opening. According to the invention, provision is made for different orientations of the fibers to be provided at least on the deformation section, along the thickness direction from the inner circumferential surface to the outer circumferential surface. In particular, this gives the possibility that the piston ring, at least at the deformation section, has different stiffnesses radially on the inside, radially on the outside and / or in between. On the one hand, this gives the possibility of ensuring sufficient deformability for improved assembly. On the other hand, there is the possibility of providing sufficiently good frictional properties on the outer circumferential surface. Depending on the application and the properties to be achieved, the piston ring can be provided with a suitable rigidity.

Es versteht sich, dass im vorliegenden Fall die Orientierungen der Fasern im Bezugssystem des Kolbenringes betrachtet werden, gewissermaßen in Form von Zylinderkoordinaten mit einer Axialrichtung, einer Umfangsrichtung um die Achse und einer Radialrichtung bezüglich der Achse.It goes without saying that in the present case the orientations of the fibers are considered in the reference system of the piston ring, so to speak in the form of cylinder coordinates with an axial direction, a circumferential direction around the axis and a radial direction with respect to the axis.

Bevorzugt kann insbesondere sein, wenn der Verformungsabschnitt der Aufweitöffnung bezüglich der Achse insbesondere diametral gegenüberliegt.In particular, it can be preferred if the deformation section of the expansion opening is in particular diametrically opposite with respect to the axis.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Verformungsabschnitt einen Winkelabstand zur Aufweitöffnung bezüglich der Achse hat, der geringer ist als 180°.Alternatively, it can be provided that the deformation section has an angular distance from the expansion opening with respect to the axis that is less than 180 °.

Der Verformungsabschnitt kann bezüglich der Achse beispielsweise einen Winkelbereich von mindestens ungefähr 10° überdecken, vorzugsweise mindestens ungefähr 20° und darüber.The deformation section can cover, for example, an angular range of at least approximately 10 ° with respect to the axis, preferably at least approximately 20 ° and more.

Es kann mehr als nur ein Verformungsabschnitt vorgesehen sein.More than just one deformation section can be provided.

Es kann vorgesehen sein, dass ein Winkel der Orientierung der Fasern bezüglich der Axialrichtung angrenzend an die Innenumfangsfläche größer ist als angrenzend an die Außenumfangsfläche.It can be provided that an angle of the orientation of the fibers with respect to the Axial direction adjacent to the inner peripheral surface is larger than adjacent to the outer peripheral surface.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Winkel der Orientierung der Fasern bezüglich der Axialrichtung angrenzend an die Innenumfangsfläche kleiner ist als an der Außenumfangsfläche.Alternatively, it can be provided that an angle of the orientation of the fibers with respect to the axial direction adjacent to the inner circumferential surface is smaller than on the outer circumferential surface.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Winkel der Orientierung der Fasern bezüglich der Axialrichtung angrenzend an die Innenumfangsfläche gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß ist wie an der Außenumfangsfläche. Alternatively, it can be provided that an angle of the orientation of the fibers with respect to the axial direction adjacent to the inner circumferential surface is the same or essentially the same as on the outer circumferential surface.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Orientierung der Fasern angrenzend an die Innenumfangsfläche einen Winkel mit der Axialrichtung einschließt, der eines der Folgenden ist:

  • - ungefähr 10° bis 80°, vorzugsweise ungefähr 20° bis 70°, bevorzugt ungefähr 30° bis 60°, beispielsweise ungefähr 45°;
  • - weniger als ungefähr 10° bis ungefähr 0°;
  • - mehr als ungefähr 80° bis ungefähr 90°.
For example, it can be provided that an orientation of the fibers adjacent to the inner circumferential surface includes an angle with the axial direction that is one of the following:
  • - about 10 ° to 80 °, preferably about 20 ° to 70 °, preferably about 30 ° to 60 °, for example about 45 °;
  • - less than about 10 ° to about 0 °;
  • - more than about 80 ° to about 90 °.

Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass eine Orientierung der Fasern angrenzend an die Außenumfangsfläche einen Winkel mit der Axialrichtung einschließt, der eines der Folgenden ist:

  • - ungefähr 10° bis 80°, vorzugsweise ungefähr 20° bis 70°, bevorzugt ungefähr 30° bis 60°, beispielsweise ungefähr 45°;
  • - weniger als ungefähr 10° bis ungefähr 0°;
  • - mehr als ungefähr 80° bis ungefähr 90°.
Alternatively or in addition, it can be provided that an orientation of the fibers adjacent to the outer circumferential surface includes an angle with the axial direction that is one of the following:
  • - about 10 ° to 80 °, preferably about 20 ° to 70 °, preferably about 30 ° to 60 °, for example about 45 °;
  • - less than about 10 ° to about 0 °;
  • - more than about 80 ° to about 90 °.

Durch den Winkel der Fasern bezüglich der Axialrichtung kann die Steifigkeit des Kolbenringes variiert werden. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass bei der Herstellung des Kolbenringes die Fasern entlang der Dickenrichtung zumindest am Verformungsabschnitt mit unterschiedlicher Orientierung angeordnet werden. Auf die Herstellungsverfahren wird nachfolgend noch im Detail eingegangen.The rigidity of the piston ring can be varied through the angle of the fibers with respect to the axial direction. Accordingly, it can be provided that, during the production of the piston ring, the fibers are arranged with different orientations along the thickness direction at least on the deformation section. The manufacturing process will be discussed in detail below.

Einstweilen kann jedoch beispielsweise erwähnt werden, dass die Fasern zum Beispiel mittels eines Wicklungsverfahrens auf einen Kern aufgebracht werden können. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Fasern bezüglich der Axialrichtung einen Mindestwinkel radial innenseitig und/oder radial außenseitig aufweisen, der größer ist als 0°, aufgrund des eingesetzten Wicklungsverfahrens. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass aufgrund des eingesetzten Wicklungsverfahrens ein Winkel der Faserorientierung nicht exakt senkrecht zur Axialrichtung ausgerichtet ist, sondern etwas von 90° verschieden, um den Wicklungsvorgang zu vereinfachen.For the time being, however, it can be mentioned, for example, that the fibers can be applied to a core, for example by means of a winding process. It can be advantageous here if the fibers have a minimum angle radially on the inside and / or radially on the outside with respect to the axial direction which is greater than 0 ° due to the winding method used. In a corresponding manner, it can be provided that, due to the winding method used, an angle of the fiber orientation is not aligned exactly perpendicular to the axial direction, but rather different from 90 ° in order to simplify the winding process.

Vorgesehen sein kann, dass entlang der Dickenrichtung, zumindest am Verformungsabschnitt, Fasern unterschiedlicher Beschaffenheit eingesetzt werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Fasern hinsichtlich ihrer Dicke und/oder Zugfestigkeit voneinander.It can be provided that fibers of different properties are used along the thickness direction, at least at the deformation section. For example, the fibers differ from one another in terms of their thickness and / or tensile strength.

Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass entlang der Dickenrichtung, zumindest am Verformungsabschnitt, unterschiedliche Dichten der Fasern angeordnet sind.Alternatively or in addition, it can be provided that different densities of the fibers are arranged along the thickness direction, at least on the deformation section.

Bei Untersuchungen in der Praxis zeigt sich, dass ein Riss des Kolbenringes häufiger an der Innenumfangsfläche auftreten kann als an der Außenumfangsfläche. Daher kann eine geringere Steifigkeit des Kolbenringes an der Innenumfangsfläche als an der Außenumfangsfläche bevorzugt sein kann.Practical investigations have shown that a crack in the piston ring can occur more frequently on the inner circumferential surface than on the outer circumferential surface. Therefore, a lower rigidity of the piston ring on the inner circumferential surface than on the outer circumferential surface can be preferred.

Im Hinblick auf vorteilhafte Reibeigenschaften zeigt sich in der Praxis, dass eine hohe Steifigkeit des Kolbenrings an der Außenumfangsfläche vorteilhaft sein kann.With regard to advantageous friction properties, it has been shown in practice that a high degree of rigidity of the piston ring on the outer circumferential surface can be advantageous.

Daher kann es von Vorteil sein, wenn die Steifigkeit des Kolbenrings, zumindest am Verformungsabschnitt, angrenzend an die Außenumfangsfläche höher ist als angrenzend an die Innenumfangsfläche, oder dass die Steifigkeit angrenzend die Innenumfangsfläche höher ist als angrenzend an die Außenumfa ngsfläche.It can therefore be advantageous if the rigidity of the piston ring, at least at the deformation section, is higher adjacent to the outer circumferential surface than adjacent to the inner circumferential surface, or that the rigidity adjacent to the inner circumferential surface is higher than adjacent to the outer circumferential surface.

Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenringes kann vorgesehen sein, dass die Steifigkeit des Kolbenrings, zumindest am Verformungsabschnitt, angrenzend an die Innenumfangsfläche gleich oder im Wesentlichen gleich ist wie angrenzend an die Außenumfangsfläche, und/oder jeweils größer oder jeweils kleiner als in einem radial dazwischenliegenden Bereich des Kolbenrings. Dies kann beispielsweise die Möglichkeit eröffnen, einer Rissbildung an der Innenumfangsfläche entgegen zu wirken und gleichzeitig an der Außenumfangsfläche vorteilhafte Reibeigenschaften zu erzielen.In another advantageous embodiment of the piston ring according to the invention, it can be provided that the rigidity of the piston ring, at least at the deformation section, adjacent to the inner circumferential surface, is the same or essentially the same as adjacent to the outer circumferential surface, and / or in each case greater or in each case smaller than in a radial intermediate area of the piston ring. This can, for example, open up the possibility of counteracting the formation of cracks on the inner circumferential surface and at the same time achieving advantageous friction properties on the outer circumferential surface.

Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenringes kann es vorteilhaft sein, wenn die Steifigkeit des Kolbenringes, zumindest am Verformungsabschnitt, angrenzend an die Innenumfangsfläche, angrenzend an die Außenumfangsfläche und radial dazwischenliegend voneinander unterschiedlich sind.In another advantageous embodiment of the piston ring according to the invention, it can be advantageous if the rigidity of the piston ring, at least at the deformation section, adjacent to the inner circumferential surface, adjacent to the outer circumferential surface and radially in between, are different from one another.

Vorgesehen sein kann, dass sich die Orientierungen der Fasern, entlang der Dickenrichtung, in der gesamten Umfangsrichtung, insbesondere zur Ausbildung unterschiedlicher Steifigkeit des Kolbenrings, voneinander unterscheiden. Dies kann beispielsweise die Herstellung des Kolbenrings vereinfachen, zum Beispiel mittels eines Wicklungs- oder Flechtverfahrens.It can be provided that the orientations of the fibers, along the thickness direction, differ from one another in the entire circumferential direction, in particular in order to form different stiffnesses of the piston ring. This can be done, for example, in the manufacture of the piston ring simplify, for example by means of a winding or braiding process.

Günstig kann es sein, wenn der Kolbenring entlang der Dickenrichtung zwei oder mehr aneinandergrenzende oder ineinander übergehende Schichten aufweist, wobei die Orientierungen der Fasern innerhalb einer jeweiligen Schicht identisch oder im Wesentlichen identisch sind, vorzugsweise entlang der gesamten Umfangsrichtung. Innerhalb einer Schicht stimmen die Orientierungen der Fasern zumindest im Wesentlichen überein, wobei sich jedoch die Orientierungen der Fasern in verschiedenen Schichten voneinander unterscheiden.It can be favorable if the piston ring has two or more layers adjoining one another or merging into one another along the thickness direction, the orientations of the fibers within a respective layer being identical or essentially identical, preferably along the entire circumferential direction. Within a layer, the orientations of the fibers are at least essentially the same, but the orientations of the fibers in different layers differ from one another.

Die zwei oder mehr Schichten können zum Beispiel herstellungstechnisch einfach mittels eines Wicklungsverfahrens, Flechtverfahrens, durch Positionieren von gewebten Fasern oder Faservlies in unterschiedlichen Bahnen bereitgestellt werden.The two or more layers can, for example, be provided in a simple manner in terms of production technology by means of a winding process, braiding process, by positioning woven fibers or fiber fleece in different webs.

Vorgesehen sein kann, dass die zwei oder mehr Schichten gleiche oder im Wesentlichen gleiche Schichtdicken aufweisen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Schichten gleiche oder im Wesentlichen gleiche Schichtdicken aufweisen und/oder dass zumindest zwei Schichten unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.It can be provided that the two or more layers have the same or essentially the same layer thicknesses. Alternatively, it can be provided that at least two layers have the same or essentially the same layer thicknesses and / or that at least two layers have different layer thicknesses.

Vorgesehen sein kann, dass innerhalb einer jeweiligen Schicht nur eine Orientierung der Fasern vorliegt oder zwei oder mehr Orientierungen, insbesondere zwei Orientierungen im Falle eines Fasergewebes oder eines Fasergeflechtes. Beispielsweise ist eine erste Schicht mit zwei im Winkel zueinander ausgerichteten Orientierungen, gebildet durch ein Gewebe oder ein Geflecht, von Fasern vorgesehen. In einer weiteren Schicht können die Fasern zumindest eine davon unterschiedliche Orientierung aufweisen. Hierbei können beispielsweise zwei im Winkel zueinander ausgerichtete unterschiedliche Orientierungen vorgesehen sein, wiederum gebildet mittels eine Geflechts oder eines Gewebes.It can be provided that within a respective layer there is only one orientation of the fibers or two or more orientations, in particular two orientations in the case of a fiber fabric or a fiber braid. For example, a first layer with two orientations oriented at an angle to one another, formed by a fabric or a braid, of fibers is provided. In a further layer, the fibers can have at least one orientation different therefrom. Here, for example, two different orientations aligned at an angle to one another can be provided, again formed by means of a braid or a fabric.

Eine jeweilige Orientierung der Fasern innerhalb einer Schicht kann eine Vorzugsrichtung von Fasern sein, beispielsweise bei Herstellung des Kolbenringes mittels Faservlieses. Der in Bahnen bereitgestellte Faservlies kann zum Beispiel eine jeweilige Vorzugsrichtung in zwei oder drei Dimensionen aufweisen, wobei sich jedoch innerhalb der Bahn Abweichungen von dieser Vorzugsrichtung ergeben können.A particular orientation of the fibers within a layer can be a preferred direction of the fibers, for example when the piston ring is produced by means of a fiber fleece. The fiber fleece provided in webs can, for example, have a respective preferred direction in two or three dimensions, although deviations from this preferred direction can result within the web.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Orientierung für alle Fasern innerhalb einer Schicht identisch ist.Alternatively, it can be provided that the respective orientation is identical for all fibers within a layer.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenringes kann vorgesehen sein, dass die Orientierungen der Fasern entlang der Dickenrichtung kontinuierlich variieren. Beispielsweise können mittels eines Wicklungs- oder Flechtverfahrens Faserorientierungen radial von innen nach außen in übereinanderliegenden Lagen kontinuierlich verändert werden.In a preferred embodiment of the piston ring according to the invention it can be provided that the orientations of the fibers vary continuously along the thickness direction. For example, by means of a winding or braiding process, fiber orientations can be continuously changed radially from the inside to the outside in superimposed layers.

Als günstig kann es sich insbesondere erweisen, wenn die Fasern jeweils in einer Mantelfläche um die Achse herum ausgerichtet sind. Hierunter kann insbesondere verstanden werden, dass die Orientierungen keine oder im Wesentlichen keine radiale Komponente aufweisen. Insbesondere können jedoch eine axiale Komponente und/oder eine Komponente in Umfangsrichtung vorgesehen sein.It can prove to be particularly favorable if the fibers are each aligned in a lateral surface around the axis. This can in particular be understood to mean that the orientations have no or essentially no radial component. In particular, however, an axial component and / or a component can be provided in the circumferential direction.

Die Fasern können beispielsweise gewickelte Fasern sein.The fibers can be, for example, wound fibers.

Die Faser können beispielsweise ein Fasergeflecht oder ein Fasergewebe ausbilden.The fibers can form, for example, a fiber braid or a fiber fabric.

Die Fasern sind beispielsweise in Schichten radial übereinanderliegend mit einer jeweiligen Orientierung angeordnet. Wie bereits erwähnt kann dies zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass ein Faservlies, beispielsweise ein Nassvlies, in Bahnen bereitgestellt wird. Die Bahnen können in unterschiedlichen Lagen mit verschiedenartiger Vorzugsrichtung übereinander gelegt werden. Bei Einsatz von Faservlies zur Herstellung kann es sich zum Beispiel um ein Parallelvlies handeln, in dem die Fasern längsorientiert sind oder in dem die Faser querorientiert sind. Alternativ kann ein Kreuzlagenvlies mit längs- oder querorientierten Fasern, die zumindest zwei Vorzugsrichtungen aufweisen, eingesetzt werden. Die mechanischen Struktureigenschaften von Vliesstoff-Halbzeugen wie zum Beispiel Festigkeit, Kraft-Dehnungs-Verhalten, Elastizität und/oder Biegesteifigkeit kann je nach Herstellungsverfahren unter Ausrichtung der Fasern mehr oder weniger entlang mindestens einer Vorzugsrichtung beeinflusst werden. Bei Parallelvliesen mit einer Herstellungsrichtung „MD“ (machine direction) kann eine Vorzugsorientierung MD:CD von beispielsweise ungefähr 5:1 bis 14:1 erzielt werden, wobei „CD“ die Querrichtung „cross direction“ quer zur machine direction kennzeichnet. Bei Kreuzlagenvlies kann eine Festigkeit MD:CD beispielsweise bis ca. 1:1 erzielt werden.The fibers are arranged, for example, in layers radially one above the other with a respective orientation. As already mentioned, this can be achieved, for example, by providing a fiber fleece, for example a wet fleece, in webs. The sheets can be laid one on top of the other in different layers with different preferential directions. If fiber fleece is used for production, it can be, for example, a parallel fleece in which the fibers are oriented longitudinally or in which the fibers are oriented transversely. Alternatively, a cross-ply fleece with longitudinally or transversely oriented fibers that have at least two preferred directions can be used. The mechanical structural properties of nonwoven semifinished products such as strength, force-elongation behavior, elasticity and / or flexural rigidity can be influenced to a greater or lesser extent depending on the manufacturing process by aligning the fibers along at least one preferred direction. In the case of parallel webs with a production direction “MD” (machine direction), a preferred orientation MD: CD of, for example, approximately 5: 1 to 14: 1 can be achieved, with “CD” denoting the transverse direction “cross direction” transversely to the machine direction. In the case of cross-ply fleece, a strength MD: CD of up to approx. 1: 1, for example, can be achieved.

Vorgesehen sein kann insbesondere, dass die Matrix Carbid und eine freie Kohlenstoffphase umfasst und/oder dass der Faserverbundwerkstoff C/C-SiC ist.It can be provided in particular that the matrix comprises carbide and a free carbon phase and / or that the fiber composite material is C / C-SiC.

Die Beschaffenheit des Faserverbundwerkstoffes kann insbesondere so sein, wie sie in der WO 2018/234244 A1 derselben Anmelderin beschrieben ist. Der Inhalt und die Offenbarung dieser Veröffentlichung werden vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung miteinbezogen.The nature of the fiber composite material can in particular be as it is in the WO 2018/234244 A1 is described by the same applicant. The content and disclosure of this Publication are fully incorporated into the present disclosure.

Der Faserverbundwerkstoff umfasst vorzugsweise Fasern und eine Matrix, wobei die Matrix aus einem Kohlenstoff-Precursor (kohlenstoffhaltiges Harz o.Ä.) gebildet sein kann, in den die Fasern eingebettet sind. Die Fasern können mit dem Kohlenstoff-Precursor vorimprägniert sein (Pre-Preg) oder infiltriert (nachträglich imprägniert) werden. Der Kohlenstoff-Precursor mit den Fasern kann ausgehärtet werden, zum Beispiel durch Pressen und/oder Erhitzen. Durch anschließende Pyrolyse kann der Precursor carbonisiert und ein poröser endformnaher Körper mit kohlenstoffhaltiger Matrix gebildet werden, in den ein Carbidbildner eingebracht werden kann. Der Carbidbildner reagiert mit dem Kohlenstoff des porösen Körpers zu Carbid. Carbidbereiche können um Kohlenstoffanteile der Matrix herum gebildet sein.The fiber composite material preferably comprises fibers and a matrix, it being possible for the matrix to be formed from a carbon precursor (carbon-containing resin or the like) in which the fibers are embedded. The fibers can be pre-impregnated with the carbon precursor (pre-preg) or infiltrated (subsequently impregnated). The carbon precursor with the fibers can be hardened, for example by pressing and / or heating. Subsequent pyrolysis can carbonize the precursor and form a porous, near-net-shape body with a carbon-containing matrix, into which a carbide former can be introduced. The carbide former reacts with the carbon of the porous body to form carbide. Carbide regions can be formed around carbon portions of the matrix.

Es besteht bevorzugt die Möglichkeit, die Eigenschaften des Kolbenrings gezielt durch die Carbidbildung zu beeinflussen, insbesondere kann die freie Kohlenstoffphase beeinflusst werden. Die Auswahl des Carbidbildners und die Auswahl des Faserwerkstoffs ermöglichen es ebenfalls, Einfluss auf mechanische Stabilität, Wärmeleitung und/oder Wärmeausdehnung des Kolbenrings zu nehmen.There is preferably the possibility of influencing the properties of the piston ring in a targeted manner through the carbide formation, in particular the free carbon phase can be influenced. The selection of the carbide former and the selection of the fiber material also make it possible to influence the mechanical stability, heat conduction and / or thermal expansion of the piston ring.

Es können unterschiedliche bevorzugt Carbidbildner zum Einsatz kommen. Als vorteilhaft erweisen sich zum Beispiel Siliziumcarbid, Wolframcarbid oder Titancarbid.Different preferred carbide formers can be used. For example, silicon carbide, tungsten carbide or titanium carbide have proven to be advantageous.

Es kann vorgesehen sein, dass die freie Kohlenstoffphase einen Anteil von mehr als 5 % Vol. umfasst. Die Schmiereigenschaft des Kolbenrings wird dadurch verbessert.It can be provided that the free carbon phase comprises a proportion of more than 5% by volume. This improves the lubricating properties of the piston ring.

Beispielsweise kann die freie Kohlenstoffphase einen Anteil von ca. 5 % Vol. bis ca. 25 % Vol. aufweisen, bei einer bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise ca. 10 % Vol. bis ca. 20 % Vol.For example, the free carbon phase can have a proportion of approx. 5% by volume to approx. 25% by volume, in a preferred embodiment preferably approx. 10% by volume to approx. 20% by volume.

Der Faserverbundwerkstoff ist aufgrund der in die Matrix eingebetteten Fasern mechanisch hoch belastbar. Die Fasern sind oder umfassen beispielsweise eines der Folgenden:

  • - Kohlenstofffasern;
  • - metallische Fasern, beispielsweise Wolframfasern oder Molybdänfasern, oder Fasern aus oder basierend auf einer Metalllegierung, beispielsweise einer Wolframlegierung oder einer Molybdänlegierung;
  • - oxidische Fasern, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid;
  • - Fasern aus einem Carbidmaterial, beispielsweise aus Siliziumcarbid.
The fiber composite material can withstand high mechanical loads due to the fibers embedded in the matrix. The fibers are or include, for example, one of the following:
  • - carbon fibers;
  • metallic fibers, for example tungsten fibers or molybdenum fibers, or fibers made of or based on a metal alloy, for example a tungsten alloy or a molybdenum alloy;
  • - oxide fibers, for example made of aluminum oxide or zirconium oxide;
  • - Fibers made of a carbide material, for example silicon carbide.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings ist der Faserverbundwerkstoff C/C-SiC. Zu dessen Bildung werden zum Beispiel Kohlenstofffasern mit einem Kohlenstoff-Precursor vorimprägniert oder infiltriert und in Form gebracht. Das Faser-Matrix-Material wird ausgehärtet. „Aushärten“ kann vorliegend insbesondere als Härten durch Pressen und/oder Temperatureinwirkung einschließlich der Pyrolyse zur Ausbildung eines porösen Körpers mit kohlenstoffhaltiger Matrix angesehen werden. Durch Silizieren mit flüssigem Silizium wird Siliziumcarbid gebildet, das zur Steigerung der mechanischen Belastbarkeit Bereiche um die freien Kohlenstoffanteile bildet.In an advantageous embodiment of the piston ring according to the invention, the fiber composite material is C / C-SiC. To form it, carbon fibers, for example, are pre-impregnated with a carbon precursor or infiltrated and shaped. The fiber matrix material is cured. In the present case, “hardening” can be viewed in particular as hardening by pressing and / or the action of temperature, including pyrolysis, to form a porous body with a carbon-containing matrix. Siliconization with liquid silicon forms silicon carbide, which forms areas around the free carbon to increase the mechanical strength.

Der Kolbenring kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.The piston ring can be designed in one piece or in several pieces.

Der Kolbenring kann an der Aufweitöffnung Ringstöße unterschiedlicher Beschaffenheit aufweisen. Hierauf wird nachfolgend noch eingegangen.The piston ring can have ring joints of different properties at the expansion opening. This will be discussed below.

Günstig kann es sein, wenn der Kolbenring an der Außenumfangsfläche mindestens eine in Umfangsrichtung zumindest teilweise verlaufende Nut zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer Kolbenaufnahme aufweist.It can be favorable if the piston ring has at least one groove running at least partially in the circumferential direction to form a labyrinth seal with a piston receptacle on the outer circumferential surface.

Ergänzend oder alternativ kann an der Außenumfangsfläche mindestens eine Ölabstreifnut vorgesehen sein.Additionally or alternatively, at least one oil control groove can be provided on the outer circumferential surface.

Als vorteilhaft kann es sich erweisen, wenn an zumindest einer die Aufweitöffnung begrenzenden Stirnseite des Kolbenrings mindestens eine Ausnehmung zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer korrespondierenden Stirnseite des Kolbenrings vorgesehen ist. Durch diese Labyrinthdichtung kann insbesondere der sogenannte „Blow-by“ im Bereich des Ringstoßes verringert werden.It can prove to be advantageous if at least one recess for forming a labyrinth seal with a corresponding end face of the piston ring is provided on at least one end face of the piston ring that delimits the expansion opening. This labyrinth seal can in particular reduce the so-called “blow-by” in the area of the ring joint.

Wie eingangs erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Kolbenmaschine. Die Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist mindestens einen in einer Kolbenaufnahme hin- und herbeweglichen Kolben auf, an dem mindestens ein Kolbenring der vorstehend genannten Art angeordnet ist.As mentioned at the outset, the present invention also relates to a piston machine. The piston machine according to the present invention has at least one piston which can be reciprocated in a piston receptacle and on which at least one piston ring of the aforementioned type is arranged.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Kolbenmaschine kann ein Motor sein oder einen Motor umfassen, insbesondere ein(en) Freikolbenmotor. Der Kolben des Motors kann insbesondere ein Verbrennungskolben sein.An advantageous embodiment of the piston machine can be a motor or comprise a motor, in particular a free-piston motor. The piston of the engine can in particular be a combustion piston.

Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform ist oder umfasst die Kolbenmaschine ein(en) Kompressor.In another type of advantageous embodiment, the piston machine is or comprises a compressor.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf eine Verwendung. Dabei wird ein Kolbenring der vorstehend genannten Art in einer Kolbenmaschine verwendet, beispielsweise einem Motor, insbesondere einem Freikolbenmotor einer Freikolbenvorrichtung.The present disclosure also relates to a use. A piston ring of the aforementioned type is used in a piston machine, for example an engine, in particular a free piston engine of a free piston device.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenringes umfasst die nachfolgend genannten Schritte:

  • - Anordnen von Fasern zur Bildung eines Körpers in Form eines insbesondere senkrechten, eine Achse definierenden Kreiszylinders derart, dass radial bezüglich der Achse zumindest zwei Lagen von Fasern angeordnet werden und die Fasern in Umfangsrichtung der Achse über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkelbereich entlang einer Radialrichtung unterschiedliche Orientierungen aufweisen;
  • - Bereitstellen und Aushärten einer Matrix für die Fasern.
A method according to the invention for producing a piston ring according to the invention comprises the following steps:
  • Arranging fibers to form a body in the form of a particularly vertical circular cylinder defining an axis in such a way that at least two layers of fibers are arranged radially with respect to the axis and the fibers have different orientations in the circumferential direction of the axis over a predetermined or predeterminable angular range along a radial direction exhibit;
  • - Providing and curing a matrix for the fibers.

Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfindungsgemäßen Kolbenrings erwähnt wurden, können unter Einsatz des Verfahrens sowie bei der Kolbenmaschine und unter Einsatz der Verwendung ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und der erfindungsgemäßen Verwendung ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbenrings. Auch diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.The advantages that have already been mentioned in connection with the explanation of the piston ring according to the invention can likewise be achieved using the method and the piston machine and using the use. In this regard, reference can be made to the statements above. Advantageous embodiments of the method according to the invention, the piston machine according to the invention and the use according to the invention result from advantageous embodiments of the piston ring according to the invention. In this regard, too, reference can be made to the statements above.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Fasern angeordnet, um einen Körper zu bilden. Hierbei kann es sich um einen endformnahen Körper zur Bildung des Kolbenringes selbst handeln. Alternativ kann zum Beispiel ein längserstreckter zylindrischer Körper gebildet werden, der wie nachfolgend erläutert axial in einzelne Segmente zur Bildung jeweiliger Kolbenringe unterteilt wird. Zumindest zwei Lagen weisen Fasern mit unterschiedlicher Orientierung auf - zumindest über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkelbereich, der dem späteren Verformungsabschnitt entspricht.In the method of the invention, the fibers are arranged to form a body. This can be a near net shape body for forming the piston ring itself. Alternatively, for example, an elongated cylindrical body can be formed which, as explained below, is divided axially into individual segments to form respective piston rings. At least two layers have fibers with different orientations - at least over a predefined or predefinable angular range which corresponds to the subsequent deformation section.

Die Fasern des Körpers sind beim erfindungsgemäßen Kolbenring in eine Matrix eingebettet. Bei dem Verfahren wird die Matrix bereitgestellt und ausgehärtet, wodurch der Körper gehärtet und für etwaige weitergehende Verfahrensschritte vorbereitet werden kann.In the piston ring according to the invention, the fibers of the body are embedded in a matrix. In the process, the matrix is provided and cured, as a result of which the body can be cured and prepared for any further process steps.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Wickeln der Fasern auf einen Kern erfolgen, wobei die Faserorientierung über einen Winkel geändert wird, unter dem die Fasern auf dem Kern gewickelt werden.The fibers can be arranged, for example, by winding the fibers onto a core, the fiber orientation being changed via an angle at which the fibers are wound onto the core.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Flechten der Fasern auf einem Kern erfolgen, wobei die Faserorientierung über einen Winkel geändert wird, unter dem die Fasern auf den Kern geflochten werden. Ein jeweiliges Geflecht weist insbesondere zwei kreuzweise zueinander angeordnete Faserrichtungen auf.The fibers can be arranged, for example, by braiding the fibers on a core, the fiber orientation being changed via an angle at which the fibers are braided onto the core. A respective braid has in particular two fiber directions arranged crosswise to one another.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Bereitstellen von zwei oder mehr Lagen Fasergewebe, insbesondere kreuzweise gewebt, erfolgen. Die Lagen können auf den Kern gelegt werden, wobei übereinanderliegende Lagen unter unterschiedlichen Winkeln auf den Kern gelegt werden.The fibers can be arranged, for example, by providing two or more layers of fiber fabric, in particular woven crosswise. The layers can be placed on the core, with superimposed layers being placed on the core at different angles.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Bereitstellen von zwei oder mehr Lagen von Faserfilz erfolgen, die eine jeweilige Vorzugsorientierung der darin enthaltenen Fasern aufweisen. Hierbei kann es sich zum Beispiel um den vorstehend erwähnten Parallelvlies längsorientiert oder querorientiert oder den Kreuzlagenvlies längs- und querorientiert handeln.The fibers can be arranged, for example, by providing two or more layers of fiber felt which have a respective preferred orientation of the fibers contained therein. This can be, for example, the above-mentioned parallel fleece oriented longitudinally or transversely, or the cross-layer fleece oriented longitudinally and transversely.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel mittels 3D-Drucken von Fasern enthaltendem Matrixmaterial erfolgen.The fibers can be arranged, for example, by means of 3D printing of matrix material containing fibers.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Anordnung und gezielte Positionierung einzelner Fasern auf einem Kern mittels „tailored fiber placement“ (TFP) erfolgen.The fibers can be arranged, for example, by arranging and specifically positioning individual fibers on a core using tailored fiber placement (TFP).

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Bereitstellen und Positionierung von Fasersträngen auf den Kern mittels einer Pultrusionseinrichtung erfolgen.The fibers can be arranged, for example, by providing and positioning fiber strands on the core by means of a pultrusion device.

Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel durch Bereitstellen mittels eines Spritzgussverfahrens erfolgen, wobei die Fasern in Matrixmaterial eingebettet sind.The fibers can be arranged, for example, by means of an injection molding process, the fibers being embedded in matrix material.

Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Fasern beim Schritt des Anordnens mit Matrixmaterial vorimprägniert bereitgestellt werden (prepreg). Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Fasern nach dem Anordnen mit einem Matrixmaterial infiltriert werden.In the method it can be provided that the fibers are provided pre-impregnated with matrix material in the step of arranging (prepreg). Alternatively, it can be provided that the fibers are infiltrated with a matrix material after they have been arranged.

Vorgesehen sein kann, dass der Körper nach dem Aushärten des Matrixmaterials axial in eine Mehrzahl von Ringen unterteilt wird. Alternativ weist der Körper bereits die endformnahe oder endformidentische Gestalt des Kolbenringes auf.Provision can be made for the body to be axially divided into a plurality of rings after the matrix material has hardened. Alternatively, the body already has the shape of the piston ring that is near net shape or identical to net shape.

Am Körper kann beispielsweise nach dem Aushärten oder beim Anordnen der Faser eine Aufweitöffnung und dementsprechend ein Ringstoß gebildet werden.For example, after curing or when arranging the fibers, an expansion opening and, accordingly, an annular joint can be formed on the body.

Der Körper oder der Kolbenring können beispielsweise nachbearbeitet werden. Insbesondere kann ein Nacharbeiten durch Schleifen insbesondere der Außenumfangsfläche erfolgen. Weitere Möglichkeiten der Nachbearbeitung umfassen beispielsweise das Einbringen mindestens einer Nut an der Außenumfangsfläche und/oder das Einbringen mindestens einer Ausnehmung an einer die Aufweitöffnung begrenzenden Stirnseite.The body or the piston ring can be reworked, for example. In particular, reworking can be carried out by grinding the outer circumferential surface in particular. Further options for post-processing include, for example, the introduction of at least one groove on the outer circumferential surface and / or the introduction of at least one recess on an end face delimiting the expansion opening.

Auf die bereits referenzierte WO 2018/234244 A1 wird im Hinblick auf das Einbringen eines Carbidbildners in eine kohlenstoffhaltige Matrix nochmals verwiesen. Die in dieser Veröffentlichung beschriebenen Schritte zur Carbidisierung und Bereitstellen einer freien Kohlenstoffphase des Kolbenringes können bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegend ebenfalls angewandt werden.To the already referenced WO 2018/234244 A1 reference is made again with regard to the introduction of a carbide former into a carbon-containing matrix. The steps described in this publication for carbidizing and providing a free carbon phase of the piston ring can also be used in the present case in preferred exemplary embodiments of the method according to the invention.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

  • 1: eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;
  • 2: den Kolbenring in Draufsicht axial in einem unaufgeweiteten Zustand;
  • 3: eine Darstellung entsprechend 2, wobei der Kolbenring aufgeweitet ist;
  • 4A bis 4C: schematische Darstellungen von radial übereinander angeordneten Schichten des Kolbenrings aus 1, wobei diese in der Zeichnung übereinander dargestellt sind und Orientierungen der Fasern des Kolbenrings schematisch gezeigt sind, wobei die Schichten durch Ausbreiten der Mantelfläche in einer Ebene gezeigt sind;
  • 5: eine vergrößerte Detaildarstellung von Detail A in 4;
  • 6A bis 6C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 7: eine schematische vergrößerte Darstellung von Detail B in 6A;
  • 8A bis 8C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 9A bis 9C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 10A bis 10C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 11A bis 11C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 12A bis 12C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 13A bis 13C: eine Darstellung entsprechend den 4A bis 4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 14A und 14B: schematische Darstellungen von zwei radial übereinander angeordneten Schichten des Kolbenrings aus 1, wobei diese in der Zeichnung übereinander dargestellt sind und Orientierungen der Fasern des Kolbenrings schematisch gezeigt sind, wobei die Schichten durch Ausbreiten der Mantelfläche in einer Ebene gezeigt sind;
  • 15 und 15B: eine Darstellung entsprechend den 14A bis 14C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht;
  • 16 bis 27: beispielhafte Darstellungen für unterschiedliche Ausführungsformen von Ringstößen eines erfindungsgemäßen Kolbenrings, wobei in den 16 bis 23 und 27 jeweils oben eine Seitenansicht des Kolbenrings und jeweils unten eine Draufsicht auf den Kolbenring in axialer Richtung gezeigt ist;
  • 28 bis 30: schematische vergrößerte Darstellungen einer Außenumfangsfläche eines erfindungsgemäßen Kolbenrings angrenzend an eine Kolbenaufnahme;
  • 31: eine schematische vergrößerte Darstellung eines Ringstoßes mit einer Aufweitöffnung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;
  • 32: eine Schnittansicht einer Freikolbenvorrichtung in einer Teildarstellung, wobei die Freikolbenvorrichtung eine als Freikolbenmotor ausgebildete erfindungsgemäße Kolbenmaschine umfasst;
  • 33: eine Darstellung zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Fasern auf einen Kern gewickelt werden;
  • 34: eine Darstellung entsprechend 33, bei der Fasern auf einen Kern geflochten werden;
  • 35: schematisch die Anordnung übereinanderliegender Lagen mit Fasern auf einem Kern;
  • 36: eine schematische Detaildarstellung eines längsorientierten Parallelvlieses mit Fasern;
  • 37: eine schematische Darstellung eines querorientierten Parallelvlieses mit Fasern; und
  • 38: eine schematische Darstellung eines längs und quer orientierten Kreuzlagenvlieses mit Fasern.
The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawing to explain the invention in greater detail. Show it:
  • 1 : a perspective schematic representation of a piston ring according to the invention;
  • 2 : the piston ring in plan view axially in an unexpanded state;
  • 3 : a representation accordingly 2 wherein the piston ring is expanded;
  • 4A until 4C : schematic representations of layers of the piston ring arranged radially one above the other 1 These are shown one above the other in the drawing and orientations of the fibers of the piston ring are shown schematically, the layers being shown by spreading out the lateral surface in one plane;
  • 5 : an enlarged detail view of detail A in 4th ;
  • 6A until 6C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 7th : a schematic enlarged representation of detail B in 6A ;
  • 8A until 8C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 9A until 9C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 10A until 10C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 11A until 11C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 12A until 12C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 13A until 13C : a representation corresponding to the 4A until 4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 14A and 14B : schematic representations of two layers of the piston ring arranged radially one above the other 1 , these being shown one above the other in the drawing and orientations of the fibers of the piston ring being shown schematically, the layers being shown by spreading out the lateral surface in one plane;
  • 15th and 15B : a representation corresponding to the 14A until 14C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view;
  • 16 until 27 : Exemplary representations for different embodiments of ring joints of a piston ring according to the invention, wherein in the 16 until 23 and 27 a side view of the piston ring is shown at the top and a plan view of the piston ring in the axial direction is shown at the bottom;
  • 28 until 30th : schematic enlarged representations of an outer circumferential surface of a piston ring according to the invention adjoining a piston receptacle;
  • 31 : a schematic enlarged illustration of a ring joint with an expansion opening of a piston ring according to the invention;
  • 32 : a sectional view of a free piston device in a partial representation, the free piston device comprising a piston machine according to the invention embodied as a free piston engine;
  • 33 : a representation to illustrate the method according to the invention, in which fibers are wound on a core;
  • 34 : a representation accordingly 33 , in which fibers are braided on a core;
  • 35 : schematically the arrangement of superimposed layers with fibers on a core;
  • 36 : a schematic detailed representation of a longitudinally oriented parallel fleece with fibers;
  • 37 : a schematic representation of a transversely oriented parallel fleece with fibers; and
  • 38 : a schematic representation of a longitudinally and transversely oriented cross-ply fleece with fibers.

Die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegten erfindungsgemäßen Kolbenringes in einer bevorzugten Ausführungsform. Der Kolbenring 10 ist aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt, der eine Matrix 12 und darin eingebettete Fasern 14 umfasst. Der Faserverbundwerkstoff ist vorzugsweise C/C-SiC und weist bevorzugt eine freie Kohlenstoffphase von beispielsweise mindestens 5 % auf. Über die Beschaffenheit des Faserverbundwerkstoffes und dessen Herstellung wurde bereits vorstehend unter Verweis auf die WO 2018/234244 A1 eingegangen.the 1 until 3 show schematic representations of a whole with the reference number 10 occupied piston ring according to the invention in a preferred embodiment. The piston ring 10 is made of a fiber composite material that has a matrix 12th and fibers embedded therein 14th includes. The fiber composite material is preferably C / C-SiC and preferably has a free carbon phase of, for example, at least 5%. The nature of the fiber composite material and its production has already been mentioned above with reference to the WO 2018/234244 A1 received.

Wie insbesondere aus den 2 und 3 hervorgeht, definiert der Kolbenring 10 eine Achse 16. Eine Umfangsrichtung bezüglich der Achse 16 ist mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Eine radiale Richtung bezüglich der Achse 16, bei welcher radialen Richtung es sich um eine Dickenrichtung des Kolbenrings 10 handelt, ist mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet.As in particular from the 2 and 3 emerges, defines the piston ring 10 an axis 16 . A circumferential direction with respect to the axis 16 is with the reference number 18th marked. A radial direction with respect to the axis 16 which radial direction is a thickness direction of the piston ring 10 is with the reference symbol 20th marked.

Bei einer beispielhaften Umsetzung in der Praxis beim Einsatz in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen weist der Kolbenring 10 zum Beispiel einen Durchmesser von weniger als 100 mm auf. Üblich sind beispielsweise ungefähr 80 mm. Eine Höhe des Kolbenrings 10 in axialer Richtung kann beispielsweise weniger als ungefähr 5 mm betragen, wobei ungefähr 1 mm üblich sind. Eine Dicke des Kolbenrings 10 in radialer Richtung 20 kann beispielsweise weniger als ungefähr 5 mm betragen, wobei beispielsweise ungefähr 3 mm üblich sind.In an exemplary implementation in practice when used in internal combustion engines of motor vehicles, the piston ring 10 for example a diameter of less than 100 mm. For example, about 80 mm is common. A height of the piston ring 10 in the axial direction can be, for example, less than approximately 5 mm, approximately 1 mm being common. A thickness of the piston ring 10 in the radial direction 20th can be, for example, less than about 5 mm, with about 3 mm being common, for example.

Es versteht sich dass die Abmessungen des erfindungsgemäßen Kolbenrings von den oben genannten Werten abweichen können, beispielsweise beim Einsatz in Schiffsmotoren oder Kompressoren.It goes without saying that the dimensions of the piston ring according to the invention can deviate from the values mentioned above, for example when used in ship engines or compressors.

Wie insbesondere aus den 2 und 3 hervorgeht, umfasst der Kolbenring 10 einen Ringstoß 22 mit einer Aufweitöffnung 24, die voneinander gegenüberliegenden Stirnseiten 26 des Kolbenrings 10 begrenzt ist.As in particular from the 2 and 3 shown includes the piston ring 10 a ring joint 22nd with an expansion opening 24 , the opposite end faces 26th of the piston ring 10 is limited.

Zur Montage kann der Kolbenring 10 unter Vergrößerung der Aufweitöffnung 24 aufgeweitet werden. Dies ist in 3 dargestellt.The piston ring can be used for assembly 10 with enlargement of the expansion opening 24 be widened. This is in 3 shown.

Beim Aufweiten wird der Kolbenring 10 insbesondere an einem Verformungsabschnitt 28 in besonderer Weise beansprucht. Im vorliegenden Beispiel liegt der Verformungsabschnitt der Aufweitöffnung 24 bezüglich der Achse 16 gegenüber.When expanding, the piston ring 10 in particular at a deformation section 28 claimed in a special way. In the present example, the deformation section lies in the expansion opening 24 with respect to the axis 16 opposite to.

Ein Winkelbereich 30 des Verformungsabschnittes 28 kann beispielsweise ungefähr mehr als 10°, ungefähr mehr als 20° und darüber betragen.A range of angles 30th of the deformation section 28 can for example be approximately more than 10 °, approximately more than 20 ° and above.

Spannungen infolge der Verformung können jedoch insbesondere entlang des gesamten Umfanges am Kolbenring 10 auftreten.Stresses as a result of the deformation can, however, in particular along the entire circumference of the piston ring 10 appear.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Fasern 14 des Kolbenrings 10 unterschiedliche Orientierungen aufweisen. Dabei besteht eine Variation der Orientierungen zumindest am Verformungsabschnitt 28 entlang der Dickenrichtung 20 von einer Innenumfangsfläche 32 zu einer Außenumfangsfläche 34 des Kolbenrings 10.According to the present invention it is provided that the fibers 14th of the piston ring 10 have different orientations. There is a variation in the orientations at least at the deformation section 28 along the thickness direction 20th from an inner peripheral surface 32 to an outer peripheral surface 34 of the piston ring 10 .

Durch die Variation der Orientierungen der Fasern 14 kann der Kolbenring 10 insbesondere am Verformungsabschnitt 28 mit einer derartigen Steifigkeit ausgestattet werden, dass zum einen eine erleichterte Montage möglich ist und zum anderen eine hinreichende Stabilität gesichert ist, bei der eine Rissbildung vermieden werden kann.By varying the orientations of the fibers 14th can the piston ring 10 especially at the deformation section 28 be equipped with such a rigidity that, on the one hand, easier assembly is possible and, on the other hand, sufficient stability is ensured at which crack formation can be avoided.

Darüber hinaus kann durch Vorsehen der Orientierungen der Fasern, die sich entlang der Dickenrichtung 20 zumindest am Verformungsabschnitt 28 voneinander unterscheiden, insbesondere an der Außenumfangsfläche 34 für die jeweilige Anwendung eine bestmögliche Reibeigenschaft mit hinreichender Verschleißfestigkeit verliehen werden.In addition, by providing the orientations of the fibers that are along the thickness direction 20th at least at the deformation section 28 differ from each other, especially on the outer peripheral surface 34 the best possible friction properties with adequate wear resistance are given for the respective application.

Günstig ist es, wenn die Steifigkeit des Kolbenrings 10 entlang der gesamten Umfangsrichtung 18, und nicht nur am Verformungsabschnitt 28, konstant ist.It is beneficial if the rigidity of the piston ring 10 along the entire circumferential direction 18th , and not just at the deformation section 28 , is constant.

Zur Erzielung unterschiedlicher Steifigkeiten infolge unterschiedlicher Orientierungen der Fasern in der Dickenrichtung 20 ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Kolbenring 10 radial übereinanderliegende Schichten aufweist. Die in den 1 bis 4C dargestellte Ausführungsform weist zum Beispiel drei Schichten 36, 38 und 40 radial von innen nach außen auf.To achieve different stiffnesses due to different orientations of the fibers in the thickness direction 20th it is preferably provided that the piston ring 10 having radially superimposed layers. The ones in the 1 until 4C The illustrated embodiment has, for example, three layers 36 , 38 and 40 radially from the inside to the outside.

Vorgesehen sein kann, dass der erfindungsgemäße Kolbenring 10 nur zwei Schichten aufweist. Vorgesehen sein kann andererseits, dass mehr als drei Schichten vorgesehen sind.It can be provided that the piston ring according to the invention 10 has only two layers. On the other hand, provision can be made for more than three layers to be provided.

Innerhalb einer jeweiligen Schicht weisen die Fasern 14 vorzugsweise eine identische oder im Wesentlichen identische Orientierung auf, wobei sich die Orientierungen der Fasern 14 von zumindest zwei Schichten voneinander unterscheiden.Within a respective layer, the fibers point 14th preferably an identical or substantially identical orientation, the orientations of the fibers 14th differ from each other by at least two layers.

In der Zeichnung sind die Fasern 14 in den jeweiligen Schichten, damit sie und die Orientierungen besser erkennbar sind, nur teilweise gezeigt. Bereiche frei von Fasern 14 und/oder die in der Zeichnung dargestellten Abstände zwischen den Fasern 14, die Dichte der Fasern 14 und die Docken der Fasern 14 sind daher nicht repräsentativ. Der Kolbenring 10 kann je nach Anforderung Bereiche frei von Fasern 14 aufweisen.In the drawing are the fibers 14th only partially shown in the respective layers so that they and the orientations are better recognizable. Areas free from fibers 14th and / or the distances between the fibers shown in the drawing 14th , the density of the fibers 14th and the docking of the fibers 14th are therefore not representative. The piston ring 10 Depending on requirements, areas can be free of fibers 14th exhibit.

Die Fasern 14 weisen vorzugsweise entlang der gesamten Umfangsrichtung 18, nicht nur am Verformungsabschnitt 28, eine identische oder im Wesentlichen identische Orientierung auf. Wie vorstehend erläutert werden die Orientierungen der Fasern 14 dabei im Bezugssystem des Kolbenrings 10 betrachtet, gewissermaßen in Zylinderkoordinaten. Dementsprechend können die Orientierungen eine axiale Komponente entlang der Achse 16, eine Komponente in Umfangsrichtung 18 und/oder eine Komponente in radialer Richtung 20 aufweisen.The fibers 14th preferably point along the entire circumferential direction 18th , not just at the deformation section 28 , an identical or substantially identical orientation. As explained above, the orientations of the fibers 14th while in the reference system of the piston ring 10 considered, so to speak in cylindrical coordinates. Accordingly, the orientations can have an axial component along the axis 16 , a component in the circumferential direction 18th and / or a component in the radial direction 20th exhibit.

Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn die Orientierungen der Fasern 14 innerhalb nur der jeweiligen Schichten in einer Mantelfläche um die Achse 16 herum verlaufen und insbesondere keine radiale Komponente in der Radialrichtung 20 vorgesehen ist.It can be particularly advantageous if the orientations of the fibers 14th within only the respective layers in a lateral surface around the axis 16 run around and in particular no radial component in the radial direction 20th is provided.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenringes kann vorgesehen sein, dass die Orientierungen der Fasern 14 in Dickenrichtung 20, zumindest am Verformungsabschnitt 28, kontinuierlich variieren, abweichend von der nachfolgend diskutierten schichtweisen Variation der Orientierungen der Fasern 14.In a preferred embodiment of the piston ring according to the invention it can be provided that the orientations of the fibers 14th in the thickness direction 20th , at least at the deformation section 28 , vary continuously, deviating from the layer-by-layer variation of the orientations of the fibers discussed below 14th .

Nachfolgend wird unter Verweis auf die Figurengruppen 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15 auf beispielshafte Orientierungen von Fasern 14 abhängig von der jeweiligen Schicht Bezug genommen. In den Figurengruppen 4, 6, 8 bis 13 sind dabei beispielhaft und für die vorliegende Erfindung nicht-einschränkend die drei Schichten 36, 38 und 40 vorgesehen. In den Ausführungsformen der Figurengruppen 14 und 15 sind lediglich eine radial innere Schicht 36 und eine radial äußere Schicht 40 vorgesehen.In the following, with reference to the groups of figures 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 and 15, exemplary orientations of fibers 14th referenced depending on the respective layer. In the groups of figures 4, 6, 8 to 13, the three layers are exemplary and non-limiting for the present invention 36 , 38 and 40 intended. In the embodiments of the groups of figures 14th and 15 are merely a radially inner layer 36 and a radially outer layer 40 intended.

In den vorstehend genannten Figurengruppen kennzeichnet ein Pfeil 42 jeweils die Axialrichtung, ein Pfeil 44 jeweils die Umfangsrichtung. Die jeweils radial innenliegende Schicht 36 ist oben dargestellt, die jeweils radial außenliegende Schicht 40 ist unten dargestellt.In the groups of figures mentioned above, an arrow indicates 42 in each case the axial direction, an arrow 44 each the circumferential direction. The radially inner layer in each case 36 is shown above, the radially outer layer in each case 40 is shown below.

Die 4A bis 4C zeigen, dass die Schicht 36 Fasern 14 mit im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufender Orientierung aufweist. Die mittlere Schicht 38 weist Fasern 14 auf, die unter einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich der Axialrichtung geneigt sind. Entsprechendes gilt für die Schicht 40, wobei die Neigung der Fasern 14 jedoch der Neigung der Fasern 14 in der Schicht 38 bezüglich der Axialrichtung entgegengesetzt ist.the 4A until 4C show that the layer 36 Fibers 14th with orientation running essentially in the axial direction. The middle layer 38 exhibits fibers 14th which are inclined at an angle of approximately 45 ° with respect to the axial direction. The same applies to the layer 40 , with the slope of the fibers 14th however, the slope of the fibers 14th in the shift 38 is opposite with respect to the axial direction.

Bei einer derartigen Orientierung von Fasern 14 kann der Kolbenring 10 beispielsweise radial innenliegend eher weniger steif und radial in der Mitte sowie außenliegend im Verhältnis dazu eher steifer ausgebildet werden.With such an orientation of fibers 14th can the piston ring 10 for example, radially inwardly rather less stiff and radially in the middle as well as outwardly rather more rigidly in relation to this.

5 zeigt in vergrößerter Darstellung eine Detailansicht von 4A. Erkennbar ist, dass vorzugsweise die Orientierung der Fasern 14 dabei einen Winkel 46 bezüglich der Axialrichtung einschlägt, der von 0° verschieden ist. Dies vereinfacht die Herstellung des Kolbenrings 10, insbesondere mittels eines Wicklungsverfahrens. Der Winkel 46 kann beispielsweise ungefähr -5° bis 5° bis ungefähr zu -10° bis 10° betragen. 5 shows an enlarged view of a detailed view of 4A . It can be seen that the orientation of the fibers is preferred 14th doing an angle 46 with respect to the axial direction, which is different from 0 °. This simplifies the manufacture of the piston ring 10 , in particular by means of a winding process. The angle 46 can for example be about -5 ° to 5 ° to about -10 ° to 10 °.

Entsprechendes gilt für die nachfolgenden Ausführungsformen, in denen in der Zeichnung jeweils ein Verlauf der Fasern 14 in der Axialrichtung zur Vereinfachung der Erläuterung gezeigt ist.The same applies to the following embodiments, in which a course of the fibers is shown in the drawing 14th is shown in the axial direction for convenience of explanation.

Bei der Ausführungsform gemäß den 6A, 6B und 6C sind die Fasern 14 in der Schicht 36 radial innenliegend ungefähr in der Umfangsrichtung 18 ausgerichtet. In der Schicht 38 in der Mitte sind die Fasern 14 ungefähr um 45° bezüglich der Achse 16 (und bezüglich der Umfangsrichtung 18) geneigt ausgerichtet. In der Schicht 40 radial außenseitig sind die Fasern 14 ungefähr in axialer Richtung ausgerichtet.In the embodiment according to 6A , 6B and 6C are the fibers 14th in the shift 36 radially inward approximately in the circumferential direction 18th aligned. In the shift 38 in the middle are the fibers 14th about 45 ° with respect to the axis 16 (and with respect to the circumferential direction 18th ) inclined. In the shift 40 The fibers are radially outside 14th aligned approximately in the axial direction.

7 zeigt eine vergrößerte Darstellung gemäß 6A. Dabei ist gezeigt, wie zwischen der Orientierung der Fasern 14 und der Umfangsrichtung 18 ein Winkel 48 vorhanden sein kann. Beispielsweise beträgt der Winkel 48 ungefähr -5° bis 5 ̊ bis zu ungefähr -10° bis 10°. Entsprechend zu obigen Ausführungsformen in Bezug auf 5 erweist sich beispielsweise ein Wickeln der Fasern 14 als vorteilhaft, wenn diese nicht exakt entlang der Umfangsrichtung 18 verlaufen, sondern relativ zu dieser um einen Winkel 48 geneigt. Entsprechendes gilt für die nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf die weiteren Ausführungsformen, bei denen die Orientierung der Fasern 14 entlang der Umfangsrichtung 18 zur Vereinfachung der Erläuterungen dargestellt sind. 7th shows an enlarged illustration according to FIG 6A . It is shown how between the orientation of the fibers 14th and the circumferential direction 18th an angle 48 may be present. For example, the angle is 48 about -5 ° to 5 ° to about -10 ° to 10 °. Corresponding to the above embodiments with respect to FIG 5 For example, a winding of the fibers turns out to be 14th as advantageous if this is not exactly along the circumferential direction 18th run, but relative to this at an angle 48 inclined. The same applies to the following explanations with regard to the further embodiments in which the orientation of the fibers 14th along the circumferential direction 18th are shown to simplify the explanations.

Bei der Variante gemäß den 6A bis 6C kann in der Schicht 36 eine hohe Steifigkeit erzielt werden, in der Mitte eine geringere Steifigkeit und in der Schicht 40 eine noch geringere Steifigkeit.In the variant according to the 6A until 6C can be in the shift 36 high rigidity can be achieved, in the middle a lower stiffness and in the layer 40 an even lower rigidity.

Bei den Ausführungsformen gemäß den 8A bis 8C sind die Fasern 14 in der Schicht 36 radial innenseitig ungefähr um 45° bezüglich der Achse 16 geneigt. In der Schicht 38 in der Mitte sind die Fasern 14 um einen geringeren Winkel bezüglich der Achse 16 geneigt, beispielsweise ungefähr 25°. In der Schicht 40 sind die Fasern 14 ungefähr in axialer Richtung ausgerichtet.In the embodiments according to 8A until 8C are the fibers 14th in the shift 36 radially on the inside by approximately 45 ° with respect to the axis 16 inclined. In the shift 38 in the middle are the fibers 14th at a smaller angle with respect to the axis 16 inclined, for example about 25 °. In the shift 40 are the fibers 14th aligned approximately in the axial direction.

Bei der Variante gemäß den 9A bis 9C verhält es sich für die Orientierung in den Schichten 36 und 38 gleichermaßen. In der Schicht 40 radial außenseitig sind die Fasern 14 ungefähr entlang der Umfangsrichtung 18 ausgerichtet.In the variant according to the 9A until 9C it is the same for the orientation in the layers 36 and 38 equally. In the shift 40 The fibers are radially outside 14th roughly along the circumferential direction 18th aligned.

Bei der Variante gemäß der Figurengruppe 8 weist der Kolbenring 10 eine von der Innenumfangsfläche 32 zur Außenumfangsfläche 34 abnehmende Steifigkeit auf. Bei der Variante gemäß der Figurengruppe 9 weist der Kolbenring 10 eine in der Mitte (Schicht 38) gegenüber der Schicht 36 geringere Steifigkeit auf. In der Schicht 40 radial außenseitig ist die Steifigkeit am höchsten.In the variant according to the group of figures 8, the piston ring 10 one of the inner peripheral surface 32 to the outer peripheral surface 34 decreasing stiffness. In the variant according to the group of figures 9, the piston ring 10 one in the middle (layer 38 ) opposite the layer 36 lower rigidity. In the shift 40 The stiffness is highest on the radial outside.

Die Varianten gemäß den Figurengruppen 10 und 11 sind hinsichtlich der Orientierung der Fasern 14 genau umgekehrt ausgestaltet wie die Varianten gemäß der Figurengruppen 8 bzw. 9.The variants according to the groups of figures 10 and 11 are with regard to the orientation of the fibers 14th designed in exactly the opposite way to the variants according to the groups of figures 8 and 9, respectively.

In der Variante gemäß 10A sind die Fasern 14 in der Schicht 36 ungefähr axial ausgerichtet, in der Schicht 38 relativ zur Achse 16 geneigt (beispielsweise ungefähr 25°) und in der Schicht 40 um ungefähr 45° bezüglich der Achse 16 geneigt.In the variant according to 10A are the fibers 14th in the shift 36 approximately axially aligned in the slice 38 relative to the axis 16 inclined (e.g. about 25 °) and in layer 40 by about 45 ° with respect to the axis 16 inclined.

Die Variante gemäß den 11A bis 11C unterscheidet sich von der letztgenannten Variante dadurch, dass in der Schicht 36 die Fasern 14 eine Orientierung ungefähr in der Umfangsrichtung 18 aufweisen.The variant according to the 11A until 11C differs from the latter variant in that in the layer 36 the fibers 14th an orientation approximately in the circumferential direction 18th exhibit.

Bei der Variante gemäß der Figurengruppe 10 weist der Kolbenring 10 eine von der Innenumfangsfläche 32 zur Außenumfangsfläche 34 anwachsende Steifigkeit auf. Bei der Variante gemäß der Figurengruppe 11 weist der Kolbenring 10 eine in der Mitte (Schicht 38) gegenüber der Schicht 40 geringere Steifigkeit auf. In der Schicht 36 radial innenseitig ist die Steifigkeit am höchsten.In the variant according to the group of figures 10, the piston ring 10 one of the inner peripheral surface 32 to the outer peripheral surface 34 increasing stiffness. In the variant according to the group of figures 11, the piston ring 10 one in the middle (layer 38 ) opposite the layer 40 lower rigidity. In the shift 36 The stiffness is highest radially on the inside.

Während die bislang unter Bezugnahme auf die Figurengruppen 4, 6 sowie 8 bis 11 erläuterten Fasern 14 innerhalb jeder Schicht nur eine Orientierung aufweisen und beispielsweise durch Wickeln hergestellt werden, weisen die Varianten der nun erläuterten Figurengruppen 12 und 13 innerhalb jeder Schicht Fasern 14 mit zwei unterschiedlichen Orientierungen auf. Dabei sind die Fasern 14 beispielsweise durch ein Geflecht oder ein Gewebe hergestellt.While the fibers explained so far with reference to the groups of figures 4, 6 and 8 to 11 14th have only one orientation within each layer and are produced, for example, by winding, the variants of the groups of figures 12 and 13 now explained have fibers within each layer 14th with two different orientations. Here are the fibers 14th for example made by a braid or a fabric.

Die Variante der 12A bis 12C weist in der Schicht 36 ein Gewebe oder Geflecht 50 mit Fasern 14 auf, deren Orientierungen ungefähr in axialer Richtung und ungefähr in Umfangsrichtung verlaufen. In der Schicht 38 sind die jeweiligen Orientierungen relativ zur Achse 16 bzw. der Umfangsrichtung 18 geneigt, zum Beispiel um ungefähr 25°. In der Schicht 40 sind die jeweiligen Orientierungen um ungefähr 45° bezüglich der Achse 16 und der Umfangsrichtung 18 geneigt.The variant of the 12A until 12C points in the shift 36 a fabric or braid 50 with fibers 14th whose orientations run approximately in the axial direction and approximately in the circumferential direction. In the shift 38 are the respective orientations relative to the axis 16 or the circumferential direction 18th inclined, for example by about 25 °. In the shift 40 are the respective orientations at approximately 45 ° with respect to the axis 16 and the circumferential direction 18th inclined.

Der derartige Faserorientierungen aufweisende Kolbenring 10 ist radial innenseitig entlang der Innenumfangsfläche 32 besonders steif , in der Mitte weniger steif und radial außenseitig entlang der Außenumfangsfläche 38 weniger steif.The piston ring having such fiber orientations 10 is radially inward along the inner peripheral surface 32 particularly stiff, less stiff in the middle and radially on the outside along the outer circumferential surface 38 less stiff.

Umgekehrt verhält es sich mit dem Kolbenring 10 gemäß den 13A bis 13C. Hier sind die jeweiligen Orientierungen der Fasern 14 innerhalb der Schichten 36 bis 40 im Vergleich zur Variante gemäß den 12A bis 12C radial innen und radial außen genau entgegengesetzt. Der auf diese Weise hergestellte Kolbenring 10 weist dadurch an der Außenumfangsfläche 34 eine hohe Steifigkeit auf, in der Mitte eine geringere Steifigkeit und an der Innenumfangsfläche 32 eine noch geringere Steifigkeit.The opposite is true for the piston ring 10 according to the 13A until 13C . Here are the respective orientations of the fibers 14th within the layers 36 until 40 compared to the variant according to 12A until 12C radially inside and radially outside exactly opposite. The piston ring made in this way 10 thereby points on the outer circumferential surface 34 has high rigidity, lower rigidity in the middle, and on the inner peripheral surface 32 an even lower rigidity.

Beispielhaft zeigen die Figurengruppen 14 und 15 Varianten des Kolbenrings 10, bei denen wie erläutert nur zwei Schichten 36 und 40 vorhanden sind. Ein weiterer Unterschied zu den bisher beschriebenen Varianten besteht darin, dass in einer Schicht 36 oder 40 Fasern 14 mit zweierlei unterschiedlichen Orientierungen vorhanden sind, wobei in der jeweils anderen Schicht 40 bzw. 38 Fasern 14 mit nur einer Orientierung vorhanden sind.The groups of figures show by way of example 14th and 15 variants of the piston ring 10 where, as explained, only two layers 36 and 40 available. Another difference to the variants described so far is that in one layer 36 or 40 Fibers 14th with two different orientations are present, being in the other layer 40 or. 38 Fibers 14th are available with only one orientation.

Zur Herstellung dieser Kolbenringe kann beispielsweise ein Fasergeflecht oder -gewebe mit einer Faserwicklung kombiniert werden.To produce these piston rings, for example, a fiber braid or fabric can be combined with a fiber winding.

Die Ausführungsform gemäß den 14A und 14B weist radial innenseitig in zwei Orientierungen (im Wesentlichen axial und in Umfangsrichtung) ausgerichteten Fasern 14 auf, wodurch der Kolbenring 10 an der Innenumfangsfläche 32 eine hohe Steifigkeit aufweist. In der Schicht 40 radial außenseitig sind die Fasern 14 ungefähr im Winkel von 45° bezüglich der Achse 16 ausgerichtet, so dass der Kolbenring 10 in der Außenumfangsfläche 34 weniger steif ist.The embodiment according to 14A and 14B has fibers aligned radially on the inside in two orientations (essentially axially and in the circumferential direction) 14th on, causing the piston ring 10 on the inner peripheral surface 32 has a high rigidity. In the shift 40 The fibers are radially outside 14th approximately at an angle of 45 ° with respect to the axis 16 aligned so that the piston ring 10 in the outer peripheral surface 34 is less stiff.

Bei der Ausführungsform gemäß den 15A und 15B sind die Fasern 14 in der Schicht 36 ungefähr axial ausgerichtet, in der Schicht 40 sind zweierlei Orientierungen mit Neigung bezüglich der Achse 16 von ungefähr jeweils 45° vorhanden.In the embodiment according to 15A and 15B are the fibers 14th in the shift 36 approximately axially aligned in the slice 40 are two kinds of orientations with inclination with respect to the axis 16 of approximately 45 ° each.

Auf diese Weise kann beispielsweise ein Kolbenring 10 hergestellt werden, der radial außenseitig steifer als radial innenseitig ist.In this way, for example, a piston ring 10 be produced, which is stiffer radially on the outside than radially on the inside.

Bei sämtlichen hier beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Kolbenringes 10 kann der Ringstoß 22 beispielsweise auf eine der nachfolgend beschriebenen Weisen ausgestaltet sein.In all variants of the piston ring according to the invention described here 10 can the ring joint 22nd be designed, for example, in one of the ways described below.

Beispielsweise ist ein gerader Ringstoß 22 gemäß 16 vorgesehen.For example, a straight ring joint 22nd according to 16 intended.

Beispielsweise sind schräge Ringstöße 22 in Rechtsausführung oder in Linksausführung gemäß den 17 bzw. 18 vorgesehen.For example, there are oblique ring joints 22nd in right-hand version or in left-hand version according to the 17th or. 18th intended.

Beispielsweise ist ein in axialer Richtung überlappter Ringstoß 22 gemäß 19 vorgesehen.For example, there is an annular joint that is overlapped in the axial direction 22nd according to 19th intended.

Beispielsweise ist ein gasdichter Ringstoß 22 mit Überlappung in axialer und in radialer Richtung gemäß 20 vorgesehen.For example, a gas-tight ring joint 22nd with overlap in the axial and in the radial direction according to 20th intended.

Beispielsweise ist ein Ringstoß 22 wie bei einem Kompressionsring mit Tangentialstoß gemäß 21 vorgesehen.For example, a ring joint 22nd as with a compression ring with tangential impact according to 21 intended.

Beispielsweise ist ein Ringstoß wie bei einem Kompressionsring mit gasdichtem, verhaktem Stoß gemäß 22 vorgesehen, bei dem ein Überlapp in der Umfangsrichtung 18, der Radialrichtung 20 und eine zusätzliche Verhakung vorgesehen sind.For example, a ring joint as in the case of a compression ring with a gas-tight, hooked joint is shown in FIG 22nd provided with an overlap in the circumferential direction 18th , the radial direction 20th and an additional hook is provided.

Beispielsweise ist ein Ringstoß 22 wie bei einem gasdichten Stoß mit rechteckiger Aussparung gemäß 23 vorgesehen. Beispielsweise ist dabei ein Überlapp in der Axialrichtung und in der Radialrichtung vorgesehen.For example, a ring joint 22nd as in the case of a gas-tight joint with a rectangular recess in accordance with 23 intended. For example, an overlap is provided in the axial direction and in the radial direction.

Beispielsweise sind die Stoßenden an den Stirnseiten 26 gemäß den 24 bis 26 freigearbeitet.For example, the butt ends are on the front sides 26th according to the 24 until 26th free worked.

Beispielsweise ist ein Ringstoß 22 wie bei einem Kompressionsring mit verhaktem Stoß gemäß 27 vorgesehen, bei dem ein Überlapp in axialer Richtung vorhanden ist.For example, a ring joint 22nd as with a compression ring with a hooked joint according to 27 provided, in which there is an overlap in the axial direction.

Die 28 bis 30 zeigen schematisch abschnittsweise die Außenumfangsfläche 34 angrenzend an eine Kolbenaufnahme 52, zum Beispiel in Gestalt einer Kolbenlaufbuchse 54. In der Kolbenlaufbuchse 54 kann ein in der Zeichnung nicht dargestellter Kolben, den der Kolbenring 10 umgibt, axial hin- und herbewegt werden.the 28 until 30th schematically show sections of the outer circumferential surface 34 adjacent to a piston seat 52 , for example in the form of a piston liner 54 . In the piston liner 54 can be a piston, not shown in the drawing, the piston ring 10 surrounds, are axially reciprocated.

Der Kolbenring 10 weist bei den Varianten gemäß den 28 bis 30 entlang der Außenumfangsfläche 34 vorzugsweise durchgehend Nuten 56 auf. Die Nuten 56 können unterschiedliche Querschnitte aufweisen, zum Beispiel rechteckförmige, dreieckförmige oder (nicht dargestellt) abgerundete Querschnitte.The piston ring 10 shows in the variants according to 28 until 30th along the outer peripheral surface 34 preferably grooves throughout 56 on. The grooves 56 can have different cross-sections, for example rectangular, triangular or (not shown) rounded cross-sections.

Über die Nuten 56 kann zwischen dem Kolbenring 10 und der Kolbenlaufbuchse 54 eine Labyrinthdichtung bereitgestellt werden.About the grooves 56 can between the piston ring 10 and the piston liner 54 a labyrinth seal can be provided.

Der Kolbenring 10 kann, wie bei der Variante gemäß 30 dargestellt, mindestens eine Ölabstreifnut 58 aufweisen.The piston ring 10 can, as with the variant according to 30th shown, at least one oil control groove 58 exhibit.

Die Nuten 56 und 58 können am Kolbenring 10 beispielsweise im Zug einer Nachbearbeitung durch Schleifen oder Fräsen ausgebildet werden.The grooves 56 and 58 can on the piston ring 10 be formed for example in the course of a post-processing by grinding or milling.

31 zeigt in schematischer Darstellung eine Variante des Kolbenringes 10, bei dem am Ringstoß 22 an den Stirnseiten 26 jeweils Nuten 60 gebildet sind. Dabei sind die Nuten 60 an den einander gegenüberliegenden Stirnseiten 26 so angeordnet, dass am Ringstoß 22 eine Labyrinthdichtung zur Verringerung des Blow-bys erzielt werden kann. Die Nuten 60 können beispielsweise einen rechtförmigen, einen dreieckförmigen oder einen (nicht gezeigt) runden Querschnitt aufweisen. 31 shows a schematic representation of a variant of the piston ring 10 , at the one at the ring joint 22nd on the front sides 26th grooves in each case 60 are formed. There are the grooves 60 on the opposite end faces 26th arranged so that at the ring joint 22nd a labyrinth seal to reduce blow-by can be achieved. The grooves 60 can for example have a right-shaped, a triangular or a (not shown) round cross-section.

Auch die Nuten 60 können zum Beispiel im Wege der Nachbearbeitung durch Schleifen oder Fräsen des Kolbenrings 10 gefertigt werden.The grooves too 60 can, for example, by means of post-processing by grinding or milling the piston ring 10 are manufactured.

Die 32 zeigt in einer schematischen Teildarstellung eine mit dem Bezugszeichen 62 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Die Freikolbenvorrichtung 62 umfasst einen Freikolbenmotor 64, bei dem es sich um eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 66 handelt. Der Freikolbenmotor 64 umfasst beispielsweise die Kolbenaufnahme 52, ausgestaltet als Kolbenlaufbuchse 54.the 32 shows in a schematic partial representation one with the reference number 62 documented advantageous embodiment of a free piston device according to the invention. The free piston device 62 includes a free piston engine 64 , which is an advantageous embodiment of a piston machine according to the invention 66 acts. The free piston engine 64 includes, for example, the piston mount 52 , designed as a piston liner 54 .

In der Kolbenaufnahme 62 ist ein Verbrennungskolben 68 aufgenommen, an dem mindestens ein erfindungsgemäßer Kolbenring 10 angeordnet ist.In the piston seat 62 is a combustion piston 68 added, on which at least one piston ring according to the invention 10 is arranged.

Der Verbrennungskolben 68 ist längs einer Achse 70, die mit der Achse 16 zusammenfällt, der Kolbenaufnahme 52 hin- und herbeweglich. Der Verbrennungskolben 68 begrenzt mit einer Kolbenfläche 72 einen Verbrennungsraum 74. Im Verbrennungsraum 74 kann ein Brennstoff-Luft-Gemisch unter Expansion gezündet werden, wodurch der Verbrennungskolben 68 bewegt wird.The combustion piston 68 is along an axis 70 that with the axis 16 coincides with the piston mount 52 reciprocating. The combustion piston 68 limited by a piston area 72 a combustion chamber 74 . In the combustion chamber 74 a fuel-air mixture can be ignited with expansion, causing the combustion piston 68 is moved.

Vorteilhaft ist bei einem Einsatz eines C/C-SiC-Kolbenrings als Kompressions-Verdichtungs-Ring mit verhältnismäßig kleinem Ringstoß 22, dass eine hinreichend gute Abdichtung des Verbrennungsraumes eines Kolbenmotors erzielt werden kann. Dabei kann insbesondere ein zweiter Verdichtungsring vorzugsweise eingespart werden. Ein Ölabstreifring, gegebenenfalls ebenfalls aus C/C-SiC, kann derart ausgelegt werden, dass nur eine möglichst geringe Menge an Öl noch an der Kolbenaufnahme vorhanden ist, aufgrund der schmierenden Eigenschaften der freien Kohlenstoffphase des Kolbenrings. Infolgedessen kann es vorgesehen sein, dass die häufige Zweitfunktion des üblicherweise zweiten Verdichtungsringes, Feineinstellungen der Ölmenge, nicht mehr erforderlich ist.It is advantageous to use a C / C-SiC piston ring as a compression-compression ring with a relatively small ring joint 22nd that a sufficiently good seal of the combustion chamber of a piston engine can be achieved. In particular, a second compression ring can preferably be saved. An oil control ring, possibly also made of C / C-SiC, can be designed in such a way that only the smallest possible amount of oil is still present on the piston receptacle, due to the lubricating properties of the free carbon phase of the piston ring. As a result, it can be provided that the frequent secondary function of the usually second compression ring, fine adjustments of the oil quantity, is no longer necessary.

Bei einer derartigen Ausgestaltung besteht der Vorteil darin, dass der Kolben kürzer gebaut werden kann und leichter wird. Es kann sich eine Reduktion der freien Massenkräfte ergeben, und der Motor kann mit geringerem Raumbedarf gebaut werden. Ein derartiger Motor kann ein geringeres Gewicht aufweisen, der Motorschwerpunkt kann (beispielsweise in einem Kraftfahrzeug) tiefer gelegt werden. Dies kann Vorteile zum Beispiel beim Crashverhalten eines Fahrzeugs umfassen. Insgesamt kann die gesamte Fahrzeugstruktur leichter gestaltet werden, wodurch eine sekundäre Einsparung an Kraftstoff möglich ist.With such a configuration, there is the advantage that the piston can be made shorter and is lighter. The free inertia forces can be reduced, and the engine can be built with less space requirement. Such an engine can have a lower weight, and the engine's center of gravity can be lowered (for example in a motor vehicle). This can include advantages, for example, in the crash behavior of a vehicle. Overall, the entire vehicle structure can be designed to be lighter, as a result of which a secondary saving in fuel is possible.

Der erfindungsgemäße Kolbenring kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Eine mehrteilige Ausgestaltung ist zum Beispiel bei einer Anwendung von Vorteil, wenn die Aufweitung des Kolbenrings bei der Montage auch mit der die „geringste“ Steifigkeit verursachenden relativen Orientierung der Fasern 14 nicht hinreichend gewährleistet sein könnte. Beispielsweise in diesem Fall eines mehrteiligen Kolbenringes kann vorgesehen sein, dass der Verformungsabschnitt 28 der Aufweitöffnung 24 nicht bezüglich der Achse 16 diametral gegenüberliegt, sondern je nach Erstreckung der einzelnen Segmente des Kolbenrings entlang der Umfangsrichtung 18 einen Winkelabstand von weniger als 180° aufweist. Dies bleibt der vorliegenden Erfindung ausdrücklich vorbehalten, insbesondere auch im Fall eines einteiligen Kolbenrings.The piston ring according to the invention can be designed in one part or in several parts. A multi-part design is advantageous, for example, in an application when the widening of the piston ring during assembly also takes place with the relative orientation of the fibers causing the “lowest” rigidity 14th could not be sufficiently guaranteed. For example, in this case of a multi-part piston ring, it can be provided that the deformation section 28 the expansion opening 24 not with respect to the axis 16 diametrically opposite, but depending on the extent of the individual segments of the piston ring along the circumferential direction 18th has an angular distance of less than 180 °. This is expressly reserved for the present invention, in particular also in the case of a one-piece piston ring.

Zur näheren Erläuterung des Herstellungsverfahrens für den erfindungsgemäßen Kolbenring wird zunächst auf 33 verwiesen. Diese zeigt einen um eine Achse 76 rotierbaren Kern 78 und eine Wicklungseinrichtung 80, mit der Fasern 14 als Endlosmaterial, beispielsweise mittels eines Rovings, bereitgestellt werden können. Ein Winkel, unter dem die Faser 14 auf den rotierenden Kern 78 aufgebracht werden können, kann variiert werden. Durch Bewegung der Wicklungseinrichtung 80 parallel zur Achse 76 können Fasern 14 zur Bildung eines Körpers 82 in Form eines senkrechten Kreiszylinders mit der Achse 16 angeordnet werden. In Umfangsrichtung der Achse 16 können zumindest über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkelbereich unterschiedliche Orientierungen der Fasern 14, entlang der Radialrichtung 20, durch Variation des Winkels, mit dem gewickelt wird, erzielt werden.For a more detailed explanation of the manufacturing process for the piston ring according to the invention, reference is first made to 33 referenced. This shows you around an axis 76 rotatable core 78 and a winding device 80 , with the fibers 14th can be provided as an endless material, for example by means of a roving. An angle at which the fiber 14th on the rotating core 78 can be applied can be varied. By moving the winding device 80 parallel to the axis 76 can fibers 14th to form a body 82 in the form of a vertical circular cylinder with the axis 16 to be ordered. In the circumferential direction of the axis 16 can have different orientations of the fibers at least over a predefined or predefinable angular range 14th , along the radial direction 20th can be achieved by varying the angle at which it is wound.

Beim Wickeln wird beispielsweise eine erste, innere Schicht 36 mit vorgegebener Orientierung der Fasern 14 gebildet. Anschließend kann mindestens eine zweite Schicht radial außenseitig mit andersartiger Orientierung der Fasern 14 gebildet werden.When winding, for example, a first, inner layer is created 36 with a given orientation of the fibers 14th educated. Then at least one second layer can be placed radially on the outside with a different orientation of the fibers 14th are formed.

Matrixmaterial zum Bilden der Matrix 12 für die Fasern 14 kann dadurch bereitgestellt werden, dass der Körper 12 nach dem Wicklungsvorgang getränkt wird. Alternativ können vorgetränkte Fasern vorgesehen sein.Matrix material for forming the matrix 12th for the fibers 14th can be provided by the body 12th is soaked after the winding process. Alternatively, pre-soaked fibers can be provided.

Nach dem Aushärten der Matrix 12 kann der Körper 32 axial in einzelne Ringe unterteilt werden. Erforderlichenfalls können Ringstöße 22 mit den Aufweitöffnungen 24 gebildet werden.After the matrix has hardened 12th can the body 32 axially divided into individual rings. If necessary, ring joints can 22nd with the expansion openings 24 are formed.

Denkbar ist, dass der Körper 82 nach Aushärten der Matrix 12 oder die einzelnen durch Segmentierung hervorgehenden Ringe oder die Kolbenringe mit vorhandenem Ringstoß 22 nachbearbeitet werden. Bei der Nachbearbeitung kann insbesondere die Außenumfangsfläche 34 geschliffen werden. Alternativ oder ergänzend können zum Beispiel die Nuten 56, 58 oder 60 ausgebildet werden.It is conceivable that the body 82 after the matrix has hardened 12th or the individual rings resulting from segmentation or the piston rings with an existing ring joint 22nd be reworked. The outer circumferential surface, in particular, can be used during post-processing 34 be sanded. Alternatively or in addition, for example, the grooves 56 , 58 or 60 be formed.

34 zeigt eine der 33 ähnliche Vorrichtung, bei der eine weitere Wicklungseinrichtung 84 zum Einsatz kommt. Dies gibt die Möglichkeit, auf den Kern 78 ein Geflecht aufzubringen, indem mit jeder Wicklungseinrichtung 80, 84 Fasern 14 mit unterschiedlicher Orientierung auf den Kern 78 gewickelt werden. In einer weiteren Schicht kann dann zumindest eine der Faserorientierungen verändert werden. 34 shows one of the 33 similar device in which a further winding device 84 is used. This gives the opportunity to get to the core 78 Apply a braid by using each winding device 80 , 84 Fibers 14th with different orientations towards the core 78 to be wrapped. At least one of the fiber orientations can then be changed in a further layer.

35 zeigt schematisch einen Kern 86, der eine Achse 88 aufweist. Mehrere Bahnen 90 eines Fasermaterials 92 können so übereinanderliegend auf den Kern 86 aufgebracht werden, dass Schichten mit unterschiedlicher Orientierung oder sogar mehreren unterschiedlichen Orientierungen der Fasern 14 entstehen. 35 shows schematically a core 86 , the one axis 88 having. Multiple lanes 90 a fiber material 92 can be superimposed on the core 86 be applied that layers with different orientations or even several different orientations of the fibers 14th develop.

Bei den Bahnen 90 kann es sich zum Beispiel um Gewebe von Fasern handeln, wie sie in der WO 2018/234244 A1 beschrieben sind.At the railways 90 it can be, for example, a fabric made of fibers, as shown in the WO 2018/234244 A1 are described.

Bei einer andersartigen Herstellung kommen Bahnen 90 aus Faservlies 94 zum Einsatz. Die 36 bis 38 zeigen beispielhaft diesbezügliche Faservliese 94.If the production is different, there are webs 90 made of fiber fleece 94 for use. the 36 until 38 show examples of related nonwovens 94 .

36 zeigt ein Faservlies, ausgestaltet als Parallelvlies 94 mit längsorientierten Fasern. Innerhalb des Vlieses können die Faserrichtungen abweichen. Jedoch weist das Faservlies 94 eine mit einem Pfeil 96 symbolisierte Vorzugsrichtung auf. 36 shows a fiber fleece, designed as a parallel fleece 94 with longitudinally oriented fibers. The fiber directions can differ within the fleece. However, the nonwoven fabric 94 one with an arrow 96 symbolized preferred direction.

37 zeigt ein Faservlies 94, bei dem es sich um ein Parallelvlies mit Querorientierung handelt. Pfeile 98 und 99 kennzeichnen Vorzugsrichtungen der Fasern 14 innerhalb des Faservlieses 94. 37 shows a nonwoven fabric 94 , which is a parallel fleece with transverse orientation. Arrows 98 and 99 indicate preferred directions of the fibers 14th within the fiber fleece 94 .

38 zeigt ein Faservlies 94, ausgestaltet als Kreuzlagenvlies mit Längs- und Querorientierung. Die Fasern 14 können zum Beispiel Vorzugsrichtungen aufweisen, die durch die Pfeile 96, 98 und 99 gekennzeichnet sind. 38 shows a nonwoven fabric 94 , designed as a cross-ply fleece with longitudinal and transverse orientation. The fibers 14th can, for example, have preferred directions indicated by the arrows 96 , 98 and 99 Marked are.

Je nachdem, in welcher Orientierung Bahnen 90 übereinander gelegt werden, können insbesondere unterschiedliche Schichten von Fasern 14 mit unterschiedlichen Orientierungen entlang der Dickenrichtung 20 bei dem Kolbenring 10 erzielt werden.Depending on the orientation of the lanes 90 In particular, different layers of fibers can be placed one on top of the other 14th with different orientations along the thickness direction 20th at the piston ring 10 be achieved.

Es versteht sich, dass beim Wickeln, Flechten, Einsatz von gewebtem Fasermaterial 92 und/oder gewebtem Faservlies 94 jeweils mehr als nur eine Lage von Fasern 14 mit identischer Orientierung zur Herstellung eingesetzt werden, wobei in diesem Fall mehrere Lagen gemeinsam eine der Schichten ausbilden.It goes without saying that when winding, braiding, use of woven fiber material 92 and / or woven fiber fleece 94 more than one layer of fibers at a time 14th can be used with an identical orientation for production, in which case several layers together form one of the layers.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
KolbenringPiston ring
1212th
Matrixmatrix
1414th
Faserfiber
1616
Achseaxis
1818th
UmfangsrichtungCircumferential direction
2020th
radiale Richtung/Dickenrichtungradial direction / thickness direction
2222nd
RingstoßRing joint
2424
AufweitöffnungExpansion opening
2626th
StirnseiteFront side
2828
VerformungsabschnittDeformation section
3030th
WinkelbereichAngular range
3232
InnenumfangsflächeInner peripheral surface
3434
AußenumfangsflächeOuter peripheral surface
36, 38, 4036, 38, 40
Schichtlayer
4242
Pfeil AxialrichtungArrow axial direction
4444
Pfeil UmfangsrichtungArrow circumferential direction
46, 4846, 48
Winkelangle
5050
Gewebe/GeflechtFabric / braid
5252
KolbenaufnahmePiston seat
5454
KolbenlaufbuchsePiston liner
5656
NutGroove
5858
ÖlabstreifnutOil control groove
6060
NutGroove
6262
FreikolbenvorrichtungFree piston device
6464
FreikolbenmotorFree piston engine
6666
KolbenmaschinePiston engine
6868
VerbrennungskolbenCombustion piston
7070
Achseaxis
7272
KolbenflächePiston area
7474
VerbrennungsraumCombustion chamber
7676
Achseaxis
7878
Kerncore
8080
WicklungseinrichtungWinding device
8282
Körperbody
8484
WicklungseinrichtungWinding device
8686
Kerncore
8888
Achseaxis
9090
Bahnrail
9292
FasermaterialFiber material
9494
FaservliesNon-woven fabric
96, 98, 9996, 98, 99
Pfeile VorzugsrichtungArrows preferred direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2018/234244 A1 [0004, 0005, 0042, 0075, 0077, 0152]WO 2018/234244 A1 [0004, 0005, 0042, 0075, 0077, 0152]

Claims (20)

Kolbenring aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix (12) und darin eingebetteten Fasern (14), welcher Kolbenring (10) eine Achse (16) definiert und eine Innenumfangsfläche (32), eine davon radial beabstandete Außenumfangsfläche (34) und eine Aufweitöffnung (24) umfasst, wobei der Kolbenring (10) unter Vergrößerung der Aufweitöffnung (24) in Umfangsrichtung (18) der Achse (16) aufweitbar ist, wobei die Fasern (14) am Kolbenring (10) abschnittsweise unterschiedliche Orientierungen aufweisen, wobei die Fasern (14), zumindest an einem im Abstand zur Aufweitöffnung (24) angeordneten Verformungsabschnitt (28), entlang einer Dickenrichtung (20) des Kolbenrings (20) radial von der Innenumfangsfläche (32) zur Außenumfangsfläche (34), unterschiedliche Orientierungen aufweisen.Piston ring made of a fiber composite material with a matrix (12) and fibers (14) embedded therein, which piston ring (10) defines an axis (16) and comprises an inner circumferential surface (32), an outer circumferential surface (34) radially spaced therefrom and an expansion opening (24), wherein the piston ring (10) with enlargement of the expansion opening (24) in the circumferential direction ( 18) of the axis (16) is expandable, wherein the fibers (14) on the piston ring (10) have different orientations in sections, wherein the fibers (14), at least at a deformation section (28) arranged at a distance from the expansion opening (24), have different orientations along a thickness direction (20) of the piston ring (20) radially from the inner circumferential surface (32) to the outer circumferential surface (34) . Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsabschnitt (28) der Aufweitöffnung (24) bezüglich der Achse (16) gegenüberliegt.Piston ring after Claim 1 , characterized in that the deformation section (28) lies opposite the expansion opening (24) with respect to the axis (16). Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (46, 48) der Orientierung der Fasern (14) bezüglich der Axialrichtung angrenzend an die Innenumfangsfläche (32) größer ist als angrenzend an die Außenumfangsfläche (34), kleiner ist als an der Außenumfangsfläche (34), oder gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß ist wie an der Außenumfangsfläche (34).Piston ring after Claim 1 or 2 , characterized in that an angle (46, 48) of the orientation of the fibers (14) with respect to the axial direction adjacent to the inner circumferential surface (32) is greater than adjacent to the outer circumferential surface (34), is smaller than on the outer circumferential surface (34), or is the same size or essentially the same size as on the outer circumferential surface (34). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Orientierung der Fasern (14) angrenzend an die Innenumfangsfläche (32) und/oder angrenzend an die Außenumfangsfläche (34) einen Winkel (46, 48) mit der Axialrichtung einschließt, der eines der Folgenden ist: - ungefähr 10° bis 80°, vorzugsweise ungefähr 20° bis 70°, bevorzugt ungefähr 30° bis 60°; - weniger als ungefähr 10° bis ungefähr 0°; - mehr als ungefähr 80° bis ungefähr 90°.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that an orientation of the fibers (14) adjacent to the inner circumferential surface (32) and / or adjacent to the outer circumferential surface (34) includes an angle (46, 48) with the axial direction that is one of the The following is: approximately 10 ° to 80 °, preferably approximately 20 ° to 70 °, preferably approximately 30 ° to 60 °; - less than about 10 ° to about 0 °; - more than about 80 ° to about 90 °. Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Kolbenrings (10), zumindest am Verformungsabschnitt (28), angrenzend an die Außenumfangsfläche (34) höher ist als angrenzend an die Innenumfangsfläche (32), oder dass die Steifigkeit angrenzend an die Innenumfangsfläche (32) höher ist als angrenzend an die Außenumfangsfläche (34).Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the rigidity of the piston ring (10), at least at the deformation section (28), adjacent to the outer circumferential surface (34) is higher than adjacent to the inner circumferential surface (32), or that the rigidity is adjacent to the inner peripheral surface (32) is higher than adjacent to the outer peripheral surface (34). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Kolbenrings (10), zumindest am Verformungsabschnitt (28), angrenzend an die Innenumfangsfläche (32) gleich oder im Wesentlichen gleich ist wie angrenzend an die Außenumfangsfläche (34) oder unterschiedlich hiervon, und/oder jeweils größer oder jeweils kleiner als in einem radial dazwischenliegenden Bereich des Kolbenrings (10).Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the rigidity of the piston ring (10), at least at the deformation section (28), adjacent to the inner circumferential surface (32) is the same or essentially the same as adjacent to the outer circumferential surface (34) or different therefrom , and / or each larger or each smaller than in a radially intermediate region of the piston ring (10). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Orientierungen der Fasern (14), entlang der Dickenrichtung (20), in der gesamten Umfangsrichtung (18), insbesondere zur Ausbildung unterschiedlicher Steifigkeit des Kolbenrings (10), voneinander unterscheiden.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the orientations of the fibers (14), along the thickness direction (20), differ from one another in the entire circumferential direction (18), in particular to form different stiffnesses of the piston ring (10). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (10) entlang der Dickenrichtung (20) zwei oder mehr aneinandergrenzende oder ineinander übergehende Schichten (36, 38, 40) aufweist, wobei die Orientierungen der Fasern (14) innerhalb einer jeweiligen Schicht (36, 38, 40) identisch oder im Wesentlichen identisch sind, vorzugsweise entlang der gesamten Umfangsrichtung (18).Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ring (10) has two or more layers (36, 38, 40) adjacent or merging into one another along the thickness direction (20), the orientations of the fibers (14) within a respective one Layer (36, 38, 40) are identical or substantially identical, preferably along the entire circumferential direction (18). Kolbenring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer jeweiligen Schicht (36, 38, 40) nur eine Orientierung der Fasern (14) vorliegt oder zwei oder mehr Orientierungen, insbesondere zwei Orientierungen im Falle eines Fasergewebes (50) oder Fasergeflechtes (50).Piston ring after Claim 8 , characterized in that within a respective layer (36, 38, 40) there is only one orientation of the fibers (14) or two or more orientations, in particular two orientations in the case of a fiber fabric (50) or fiber braid (50). Kolbenring nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Orientierung der Fasern (14) eine Vorzugsorientierung von Fasern ist oder dass die jeweilige Orientierung für alle Fasern (14) innerhalb einer Schicht (36, 38, 40) identisch ist.Piston ring after Claim 8 or 9 , characterized in that the respective orientation of the fibers (14) is a preferred orientation of fibers or that the respective orientation for all fibers (14) within a layer (36, 38, 40) is identical. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierungen der Fasern (14) entlang der Dickenrichtung (20) kontinuierlich variieren.Piston ring according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the orientations of the fibers (14) vary continuously along the thickness direction (20). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (14) jeweils in einer Mantelfläche um die Achse (16) herum ausgerichtet sind.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the fibers (14) are each aligned in a lateral surface around the axis (16). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Folgenden gilt: - die Fasern (14) sind gewickelte Fasern (14); - die Fasern (14) bilden ein Fasergeflecht (50) oder ein Fasergewebe (50) aus; - die Fasern (14) sind in Schichten (36, 38, 40) radial übereinanderliegend mit einer jeweiligen Orientierung angeordnet.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the following applies: - the fibers (14) are wound fibers (14); - The fibers (14) form a fiber braid (50) or a fiber fabric (50); - The fibers (14) are arranged in layers (36, 38, 40) lying radially one above the other with a respective orientation. Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (12) Carbid und eine freie Kohlenstoffphase umfasst und/oder dass der Faserverbundwerkstoff C/C-SiC ist.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix (12) comprises carbide and a free carbon phase and / or that the fiber composite material is C / C-SiC. Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (10) an der Außenumfangsfläche (34) mindestens eine in Umfangsrichtung (18) zumindest teilweise verlaufende Nut (56, 60) zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer Kolbenaufnahme (52) aufweist.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ring (10) on the outer circumferential surface (34) has at least one groove (56, 60) running at least partially in the circumferential direction (18) to form a labyrinth seal with a piston receptacle (52). Kolbenring nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer die Aufweitöffnung (24) begrenzenden Stirnseite (26) des Kolbenrings (10) mindestens eine Ausnehmung zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer korrespondierenden Stirnseite (26) des Kolbenrings (10) vorgesehen ist.Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that at least one recess for forming a labyrinth seal with a corresponding end face (26) of the piston ring (10) is provided on at least one end face (26) of the piston ring (10) delimiting the expansion opening (24) . Kolbenmaschine, umfassend mindestens einen in einer Kolbenaufnahme (52) hin- und herbeweglichen Kolben, an dem mindestens ein Kolbenring (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche angeordnet ist, wobei die Kolbenmaschine insbesondere ein Motor oder ein Kompressor ist oder einen solchen umfasst.Piston machine, comprising at least one piston which can be reciprocated in a piston receptacle (52) and on which at least one piston ring (10) according to one of the preceding claims is arranged, wherein the piston machine is in particular a motor or a compressor or comprises one. Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das Verfahren umfassend: - Anordnen von Fasern zur Bildung eines Körpers in Form eines insbesondere senkrechten, eine Achse definierenden Kreiszylinders derart, dass radial bezüglich der Achse zumindest zwei Lagen von Fasern angeordnet werden und die Fasern in Umfangsrichtung der Achse über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkelbereich entlang einer Radialrichtung unterschiedliche Orientierungen aufweisen; - Bereitstellen und Aushärten einer Matrix für die Fasern.Method for producing a piston ring according to one of the Claims 1 until 16 The method comprising: Arranging fibers to form a body in the form of a particularly vertical circular cylinder defining an axis in such a way that at least two layers of fibers are arranged radially with respect to the axis and the fibers are arranged in the circumferential direction of the axis over a predefined or predefinable angular range have different orientations along a radial direction; - Providing and curing a matrix for the fibers. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Fasern über mindestens eines der Folgenden erfolgt: - Wickeln der Fasern auf einen Kern, wobei die Faserorientierung über einen Winkel geändert wird, unter dem die Fasern auf den Kern gewickelt werden; - Flechten der Fasern auf einem Kern, wobei die Faserorientierung über einen Winkel geändert wird, unter dem die Fasern auf den Kern geflochten werden; - Bereitstellen von zwei oder mehr Lagen Fasergewebe, die auf den Kern gelegt werden, wobei übereinanderliegende Lagen unter unterschiedlichen Winkeln auf den Kern gelegt werden; - Bereitstellen von zwei oder mehr Lagen von Faserfilz, die eine jeweilige Vorzugsorientierung der darin enthaltenen Fasern aufweisen; - 3D-Drucken von Fasern enthaltendem Matrixmaterial; - Anordnung und gezielte Positionierung einzelner Fasern auf einem Kern mittels tailored fiber placement (TFP); - Bereitstellen und Positionierung von Fasersträngen mittels einer Pultrusionseinrichtung; - Bereitstellen mittels eines Spritzgussverfahrens, wobei Fasern in Matrixmaterial eingebettet sind.Procedure according to Claim 18 characterized in that the fibers are arranged via at least one of the following: winding the fibers onto a core, the fiber orientation being changed via an angle at which the fibers are wound onto the core; Braiding the fibers on a core, the fiber orientation being changed over an angle at which the fibers are braided onto the core; Providing two or more layers of fiber fabric which are placed on the core, with superimposed layers being placed on the core at different angles; - Provision of two or more layers of fiber felt which have a respective preferred orientation of the fibers contained therein; - 3D printing of matrix material containing fibers; - Arrangement and targeted positioning of individual fibers on a core using tailored fiber placement (TFP); - Provision and positioning of fiber strands by means of a pultrusion device; - Provision by means of an injection molding process, with fibers being embedded in matrix material. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: - die Fasern werden beim Schritt des Anordnens mit Matrixmaterial vorimprägniert bereitgestellt, oder die Fasern werden nach dem Anordnen mit einem Matrixmaterial infiltriert; - der Körper wird nach dem Aushärten des Matrixmaterials axial in eine Mehrzahl von Ringen unterteilt; - am Körper nach dem Aushärten oder beim Anordnen der Fasern eine Aufweitöffnung gebildet wird; - der Körper oder der Kolbenring werden nachbearbeitet, insbesondere erfolgt eine Nachbearbeitung durch Schleifen und/oder Einbringen mindestens einer Nut an der Außenumfangsfläche und/oder Einbringen mindestens einer Ausnehmung an einer die Aufweitöffnung begrenzenden Stirnseite.Procedure according to Claim 18 or 19th , characterized in that the method comprises at least one of the following steps: the fibers are provided pre-impregnated with matrix material in the step of arranging, or the fibers are infiltrated with a matrix material after arranging; the body is divided axially into a plurality of rings after the matrix material has hardened; - a widening opening is formed on the body after curing or when arranging the fibers; The body or the piston ring are reworked, in particular reworking takes place by grinding and / or making at least one groove on the outer circumferential surface and / or making at least one recess on an end face delimiting the expansion opening.
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DE1934469U (en) 1965-12-11 1966-03-10 Otto Bloetz COVER FOR TRUCK.
WO2018234244A1 (en) 2017-06-19 2018-12-27 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Piston ring, use of a piston ring and method for producing a piston ring

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