DE102020101230A1 - Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring - Google Patents
Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring Download PDFInfo
- Publication number
- DE102020101230A1 DE102020101230A1 DE102020101230.6A DE102020101230A DE102020101230A1 DE 102020101230 A1 DE102020101230 A1 DE 102020101230A1 DE 102020101230 A DE102020101230 A DE 102020101230A DE 102020101230 A1 DE102020101230 A1 DE 102020101230A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fibers
- piston ring
- piston
- circumferential surface
- fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 240
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 22
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 18
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 13
- 238000009954 braiding Methods 0.000 claims description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 claims description 2
- 238000009728 tailored fiber placement Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 73
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 11
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 6
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 5
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 5
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 4
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 4
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000914 Metallic fiber Polymers 0.000 description 1
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
- F16J9/28—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction of non-metals
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
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
In der
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°.
- - 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°.
- - 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
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.
- - 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.
- 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
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 entsprechend2 , wobei der Kolbenring aufgeweitet ist; -
4A bis4C : schematische Darstellungen von radial übereinander angeordneten Schichten desKolbenrings 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 in4 ; -
6A bis6C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
7 : eine schematische vergrößerte Darstellung von Detail B in6A ; -
8A bis8C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
9A bis9C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
10A bis10C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
11A bis11C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
12A bis12C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
13A bis13C : eine Darstellung entsprechend den4A bis4C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
14A und14B : schematische Darstellungen von zwei radial übereinander angeordneten Schichten desKolbenrings 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 und15B : eine Darstellung entsprechend den14A bis14C bei einem andersartigen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Detailansicht; -
16 bis27 : beispielhafte Darstellungen für unterschiedliche Ausführungsformen von Ringstößen eines erfindungsgemäßen Kolbenrings, wobei inden 16 bis23 und27 jeweils oben eine Seitenansicht des Kolbenrings und jeweils unten eine Draufsicht auf den Kolbenring in axialer Richtung gezeigt ist; -
28 bis30 : 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 entsprechend33 , 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.
-
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 accordingly2 wherein the piston ring is expanded; -
4A until4C : schematic representations of layers of the piston ring arranged radially one above the other1 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 in4th ; -
6A until6C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
7th : a schematic enlarged representation of detail B in6A ; -
8A until8C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
9A until9C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
10A until10C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
11A until11C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
12A until12C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
13A until13C : a representation corresponding to the4A until4C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
14A and14B : schematic representations of two layers of the piston ring arranged radially one above the other1 , 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 and15B : a representation corresponding to the14A until14C in a different type of piston ring according to the invention in a detailed view; -
16 until27 : Exemplary representations for different embodiments of ring joints of a piston ring according to the invention, wherein in the16 until23 and27 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 until30th : 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 accordingly33 , 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
Wie insbesondere aus den
Bei einer beispielhaften Umsetzung in der Praxis beim Einsatz in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen weist der Kolbenring
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
Zur Montage kann der Kolbenring
Beim Aufweiten wird der Kolbenring
Ein Winkelbereich
Spannungen infolge der Verformung können jedoch insbesondere entlang des gesamten Umfanges am Kolbenring
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Fasern
Durch die Variation der Orientierungen der Fasern
Darüber hinaus kann durch Vorsehen der Orientierungen der Fasern, die sich entlang der Dickenrichtung
Günstig ist es, wenn die Steifigkeit des Kolbenrings
Zur Erzielung unterschiedlicher Steifigkeiten infolge unterschiedlicher Orientierungen der Fasern in der Dickenrichtung
Vorgesehen sein kann, dass der erfindungsgemäße Kolbenring
Innerhalb einer jeweiligen Schicht weisen die Fasern
In der Zeichnung sind die Fasern
Die Fasern
Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn die Orientierungen der Fasern
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenringes kann vorgesehen sein, dass die Orientierungen der Fasern
Nachfolgend wird unter Verweis auf die Figurengruppen 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15 auf beispielshafte Orientierungen von Fasern
In den vorstehend genannten Figurengruppen kennzeichnet ein Pfeil
Die
Bei einer derartigen Orientierung von Fasern
Entsprechendes gilt für die nachfolgenden Ausführungsformen, in denen in der Zeichnung jeweils ein Verlauf der Fasern
Bei der Ausführungsform gemäß den
Bei der Variante gemäß den
Bei den Ausführungsformen gemäß den
Bei der Variante gemäß den
Bei der Variante gemäß der Figurengruppe 8 weist der Kolbenring
Die Varianten gemäß den Figurengruppen 10 und 11 sind hinsichtlich der Orientierung der Fasern
In der Variante gemäß
Die Variante gemäß den
Bei der Variante gemäß der Figurengruppe 10 weist der Kolbenring
Während die bislang unter Bezugnahme auf die Figurengruppen 4, 6 sowie 8 bis 11 erläuterten Fasern
Die Variante der
Der derartige Faserorientierungen aufweisende Kolbenring
Umgekehrt verhält es sich mit dem Kolbenring
Beispielhaft zeigen die Figurengruppen
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
Bei der Ausführungsform gemäß den
Auf diese Weise kann beispielsweise ein Kolbenring
Bei sämtlichen hier beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Kolbenringes
Beispielsweise ist ein gerader Ringstoß
Beispielsweise sind schräge Ringstöße
Beispielsweise ist ein in axialer Richtung überlappter Ringstoß
Beispielsweise ist ein gasdichter Ringstoß
Beispielsweise ist ein Ringstoß
Beispielsweise ist ein Ringstoß wie bei einem Kompressionsring mit gasdichtem, verhaktem Stoß gemäß
Beispielsweise ist ein Ringstoß
Beispielsweise sind die Stoßenden an den Stirnseiten
Beispielsweise ist ein Ringstoß
Die
Der Kolbenring
Über die Nuten
Der Kolbenring
Die Nuten
Auch die Nuten
Die
In der Kolbenaufnahme
Der Verbrennungskolben
Vorteilhaft ist bei einem Einsatz eines C/C-SiC-Kolbenrings als Kompressions-Verdichtungs-Ring mit verhältnismäßig kleinem Ringstoß
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
Zur näheren Erläuterung des Herstellungsverfahrens für den erfindungsgemäßen Kolbenring wird zunächst auf
Beim Wickeln wird beispielsweise eine erste, innere Schicht
Matrixmaterial zum Bilden der Matrix
Nach dem Aushärten der Matrix
Denkbar ist, dass der Körper
Bei den Bahnen
Bei einer andersartigen Herstellung kommen Bahnen
Je nachdem, in welcher Orientierung Bahnen
Es versteht sich, dass beim Wickeln, Flechten, Einsatz von gewebtem Fasermaterial
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
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020101230.6A DE102020101230B4 (en) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020101230.6A DE102020101230B4 (en) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020101230A1 true DE102020101230A1 (en) | 2021-08-05 |
DE102020101230B4 DE102020101230B4 (en) | 2024-01-25 |
Family
ID=76853907
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020101230.6A Active DE102020101230B4 (en) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020101230B4 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1934469A1 (en) | 1969-07-08 | 1971-01-21 | Wellworthy Ltd | Sealing ring for engines, compressors, pistons - etc |
-
2020
- 2020-01-20 DE DE102020101230.6A patent/DE102020101230B4/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102020101230B4 (en) | 2024-01-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69627542T2 (en) | FABRICATION OF FIBROUS TUBE FORMS FOR THE PRODUCTION OF COMPOSITE BRAKE DISCS | |
EP1859958B1 (en) | Composite design flange component and method for manufacturing a flange component | |
DE2952117B1 (en) | Piston pin | |
DE10334895B3 (en) | synchronizer ring | |
WO2007121704A2 (en) | Multilayered, particularly double-layered, clutch lining and method for producing same | |
WO2003104674A1 (en) | Tribological fiber composite component produced according to the tfp process | |
DE102017208424A1 (en) | Shaft and method for producing a shaft | |
DE2901857A1 (en) | TAPE WRAPPED CARBON BRAKE DISC AND METHOD OF MANUFACTURING IT | |
DE102020111782A1 (en) | Carrier assembly, in particular tool carrier assembly and method for their production | |
EP2403711B1 (en) | Component and method for the production thereof | |
EP3365573B1 (en) | Plain bearing bush comprising an integrated sealing lip | |
DE4123547A1 (en) | METHOD FOR THE PRODUCTION OF FIBER PREFORMS, MADE BY A LAYER OF LAYERS THAT HAVE SMALL CURVING RADIUS FOR THE PRODUCTION OF PARTS FROM COMPOSITE MATERIAL | |
DE102020101230B4 (en) | Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring | |
EP3642514B1 (en) | Piston ring, use of a piston ring and method for producing a piston ring | |
DE2912786B1 (en) | Pistons for internal combustion engines and method for producing the piston | |
EP0836931A2 (en) | Laminated body and method for its manufacture | |
WO2008119323A1 (en) | Friction lining | |
EP0587153B1 (en) | Sealing device between spaces of different fluidic pressions for relatively movable housings of aircraft engines and method for manufacturing a sealing ring | |
DE102018117472B4 (en) | Fiber composite component for use in the motor vehicle sector and method for producing such a fiber composite component | |
DE19859465A1 (en) | Method of manufacturing spring from thermostable composite material | |
WO2020169266A1 (en) | Tubular, triaxially braided fiber preform having additional, locally limited fiber layers | |
DE68906498T2 (en) | HIGH SPEED COMPOSITE TURBINE WHEEL. | |
DE102014113294A1 (en) | Machine element and method for producing a machine element | |
DE102012021772B4 (en) | Carbon fiber brake unit, method of manufacture and use thereof | |
WO2008119318A1 (en) | Friction lining |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V, DE Free format text: FORMER OWNER: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V., 51147 KOELN, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE SCHNEKENBUEHL U, DE Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE PARTMBB, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |