DE102020101230B4 - Piston ring, piston machine with a piston ring and method for producing a piston ring - Google Patents
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Abstract
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 (10) radial von der Innenumfangsfläche (32) zur Außenumfangsfläche (34), unterschiedliche Orientierungen aufweisen, undwobei 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 made of a fiber composite material with a matrix (12) and fibers (14) embedded therein, which piston ring (10) defines an axis (16) and an inner peripheral surface (32), an outer peripheral surface (34) spaced radially therefrom and an expansion opening (24) comprises, wherein the piston ring (10) can be expanded in the circumferential direction (18) of the axis (16) by enlarging the expansion opening (24), the fibers (14) on the piston ring (10) having different orientations in sections, the fibers (14) , at least on a deformation section (28) arranged at a distance from the expansion opening (24), along a thickness direction (20) of the piston ring (10) radially from the inner circumferential surface (32) to the outer circumferential surface (34), have different orientations, and wherein on at least one the The expansion opening (24) delimiting the end face (26) of the piston ring (10) is provided with at least one recess to form a labyrinth seal with a corresponding end face (26) of the piston ring (10).
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 engine 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. Piston rings made of metallic ring structures are also 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, which makes it susceptible to damage resulting in the functional layer failing.
Die
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, und wobei an zumindest einer die Aufweitöffnung begrenzenden Stirnseite des Kolbenrings mindestens eine Ausnehmung zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer korrespondierenden Stirnseite des Kolbenrings vorgesehen ist.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 spaced radially therefrom and an expansion opening, the piston ring being expandable in the circumferential direction of the axis while increasing the expansion opening is, wherein the fibers on the piston ring have different orientations in sections, wherein the fibers have different orientations, at least on 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, and at least on one delimiting the expansion opening Front side of the piston ring has at least one recess to form a labyrinth seal with a corresponding front side of the piston ring.
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 specifically influenced via the orientation of the fibers. For assembly, the piston ring must be expanded by increasing the expansion opening. The expansion opening can be limited in particular to end faces of the piston ring that face each other (“ring joint”), which are placed at a greater distance from one another. As a result of the expansion, the piston ring is subjected to mechanical stress, with the greatest stress occurring at the deformation section arranged at a distance from the expansion opening. According to the invention, different orientations of the fibers are provided at least at the deformation section, along the thickness direction from the inner peripheral surface to the outer peripheral surface. This gives the possibility in particular that the piston ring, at least on the deformation section, has different rigidities on the radial inside, radial outside and/or in between. On the one hand, this makes it possible to ensure sufficient deformability for improved assembly. On the other hand, it is possible to provide sufficiently good friction properties on the outer peripheral surface. Depending on the application and the quality to be achieved, the piston ring can be provided with 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 is understood that in the present case the orientations of the fibers in the reference system of the piston ring are considered, so to speak in the form of cylindrical 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.It may be preferred in particular if the deformation section is diametrically opposite the expansion opening in particular 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, for example, have an angular range of cover at least about 10°, preferably at least about 20° and above.
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 is larger adjacent to the inner peripheral surface 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 peripheral surface is smaller than on the outer peripheral 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 size or substantially the same size 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 stiffness of the piston ring can be varied by the angle of the fibers with respect to the axial direction. Accordingly, it can be provided that when producing the piston ring, the fibers are arranged with different orientation along the thickness direction at least on the deformation section. The manufacturing processes 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 now, 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 on the radial inside and/or radial 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 is slightly 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 on the deformation section. For example, the fibers differ from each other 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 additionally, 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 show 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 peripheral surface than on the outer peripheral surface may 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, practice shows that a high rigidity of the piston ring on the outer peripheral 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 Außenumfangsfläche.Therefore, it may be advantageous if the rigidity of the piston ring, at least at the deformation section, is higher adjacent to the outer peripheral surface than adjacent to the inner peripheral surface, or that the rigidity adjacent to the inner peripheral surface is higher than adjacent to the outer peripheral 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 a different 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 peripheral surface is the same or essentially the same as adjacent to the outer peripheral surface, and / or in each case larger or smaller than in a radial intermediate area of the piston ring. This can, for example, open up the possibility of counteracting crack formation 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 a different 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 to form different stiffness of the piston ring. This can, for example, simplify the production of the piston ring, 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 may be advantageous if the piston ring has two or more adjacent or merging layers along the thickness direction, the orientations of the fibers within a respective layer being identical or substantially identical, preferably along the entire circumferential direction. Within a layer, the orientations of the fibers are at least essentially the same, although 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 manufacturing manner by means of a winding process, braiding process, or by positioning woven fibers or nonwoven fabric 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 different orientation. 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 respective orientation of the fibers within a layer can be a preferred direction of fibers, for example when producing the piston ring using 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 arise 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, fiber orientations can be continuously changed radially from the inside to the outside in layers lying one above the other using a winding or braiding process.
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 advantageous if the fibers are each aligned in a lateral surface around the axis. This can be understood in particular to mean that the orientations have no or essentially no radial component. In particular, however, an axial component and/or a component in the circumferential direction can be provided.
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, for example, form a fiber mesh 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 strips. The sheets can be placed on top of each other in different layers with different preferred directions. When using fiber fleece for production, it can be, for example, a parallel fleece in which the fibers are longitudinally oriented or in which the fibers are transversely oriented. Alternatively, a cross-layer nonwoven with longitudinally or transversely oriented fibers that have at least two preferred directions can be used. The mechanical structural properties of nonwoven semi-finished products such as strength, force-strain behavior, elasticity and/or flexural rigidity can be influenced more or less along at least one preferred direction depending on the manufacturing process by aligning the fibers. For parallel nonwovens with a manufacturing direction “MD” (machine direction), a preferred orientation MD:CD of, for example, approximately 5:1 to 14:1 can be achieved, where “CD” indicates the cross direction transverse to the machine direction. With cross-layer fleece can a strength MD:CD, for example, up to approx. 1:1 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, wherein the matrix can 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. Through subsequent pyrolysis, the precursor can be carbonized and a porous near-net-shape body with a carbon-containing matrix can be formed, 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 specifically influencing the properties of the piston ring through the formation of carbide; 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 approximately 5% by volume to approximately 25% by volume, in a preferred embodiment preferably approximately 10% by volume to approximately 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;
- - Oxidic 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, for example, carbon fibers are pre-impregnated or infiltrated with a carbon precursor and shaped. The fiber matrix material is cured. In the present case, “hardening” can be viewed in particular as hardening by pressing and/or exposure to temperature, including pyrolysis, to form a porous body with a carbon-containing matrix. By siliconizing with liquid silicon, silicon carbide is formed, which forms areas around the free carbon components to increase the mechanical strength.
Der Kolbenring kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.The piston ring can be formed 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 further 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 advantageous if the piston ring has at least one groove on the outer peripheral surface that runs at least partially in the circumferential direction to form a labyrinth seal with a piston receptacle.
Ergänzend oder alternativ kann an der Außenumfangsfläche mindestens eine Ölabstreifnut vorgesehen sein.Additionally or alternatively, at least one oil scraper groove can be provided on the outer peripheral surface.
An zumindest einer die Aufweitöffnung begrenzenden Stirnseite des Kolbenrings ist mindestens eine Ausnehmung zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer korrespondierenden Stirnseite des Kolbenrings vorgesehen. Durch diese Labyrinthdichtung kann insbesondere der sogenannte „Blow-by“ im Bereich des Ringstoßes verringert werden.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 delimiting the expansion opening. This labyrinth seal can be used to 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 beginning, the present invention also relates to a piston engine. The piston engine according to the present invention has at least one piston which can be moved back and forth in a piston receptacle and on which at least one piston ring of the type mentioned above 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 engine can be an engine or include an engine, in particular a free-piston engine. 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 a different advantageous embodiment, the piston engine 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 use. A piston ring of the type mentioned above is used in a piston engine, 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.
- - Ausbilden von mindestens einer Ausnehmung an zumindest einer die Aufweitöffnung begrenzenden Stirnseite des Kolbenrings zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung mit einer korrespondierenden Stirnseite des Kolbenrings.
- - 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.
- - Forming at least one recess on at least one end face of the piston ring delimiting the expansion opening to form a labyrinth seal with a corresponding end face of the piston ring.
Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfindungs-gemäßen Kolbenrings erwähnt wurden, können unter Einsatz des Verfahrens sowie bei der Kolbenmaschine und unter Einsatz der Verwendung ebenfalls er-zielt werden. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und der erfindungsgemäßen Ver-wendung 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 also be achieved using the method as well as in the piston engine and using the use. In this regard, reference can be made to the above statements. 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, reference can also be made to the above statements.
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. In the method according to the invention, the fibers are arranged to form a body. This can be a body close to the final shape for forming the piston ring itself. Alternatively, for example, an elongated cylindrical body can be formed, which is axially divided into individual segments to form respective piston rings, as explained below.
Zumindest zwei Lagen weisen Fasern mit unterschiedlicher Orientierung auf - zumindest über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkelbereich, der dem späteren Verformungsabschnitt entspricht.At least two layers have fibers with different orientations - at least over a predetermined or predeterminable angular range that corresponds to the later 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.The fibers of the body are embedded in a matrix in the piston ring according to the invention. In the process, the matrix is provided and hardened, whereby the body can be hardened 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.Arranging the fibers can be accomplished, for example, by winding the fibers onto a core, changing the fiber orientation through an angle at which the fibers are wound on 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.Arranging the fibers can be accomplished, for example, by braiding the fibers onto a core, changing the fiber orientation 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 cross-woven. The layers can be placed on the core, with layers on top of each other 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, for example, be the parallel fleece mentioned above, longitudinally or transversely oriented, or the cross-layer fleece, longitudinally and transversely oriented.
Das Anordnen der Fasern kann zum Beispiel mittels 3D-Drucken von Fasern enthaltendem Matrixmaterial erfolgen.Arranging the fibers can be done, for example, by 3D printing 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 using 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 providing them using an injection molding process, with 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 (prepreg) during the arranging step. 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.It can be provided that the body is divided axially into a plurality of rings after the matrix material has hardened. Alternatively, the body already has the shape of the piston ring that is close to the final shape or has the same shape as the final shape.
Am Körper kann beispielsweise nach dem Aushärten oder beim Anordnen der Faser eine Aufweitöffnung und dementsprechend ein Ringstoß gebildet werden.For example, after hardening or when arranging the fiber, an expansion opening and accordingly a ring 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, for example, be reworked. In particular, reworking can be carried out by grinding, in particular the outer peripheral surface. Further post-processing options include, for example, introducing at least one groove on the outer peripheral surface and/or introducing 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 , with the piston ring expanded; -
4A until4C : Schematic representations of layers of the piston ring arranged radially one above the other1 , whereby 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 the lateral surface in one plane; -
5 : an enlarged detail view of detail A in4 ; -
6A until6C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
7 : a schematic enlarged representation of detail B in6A ; -
8A until8C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
9A until9C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
10A until10C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
11A until11C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
12A until12C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
13A until13C : a representation corresponding to the4A until4C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
14A and14B : Schematic representations of two layers of the piston ring arranged radially one above the other1 , whereby 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 the lateral surface in one plane; -
15 and15B : a representation corresponding to the14A until14C a detailed view of a different type of piston ring according to the invention; -
16 until27 : exemplary representations for different embodiments of ring joints of a piston ring according to the invention, in which16 until23 and27 a side view of the piston ring is shown at the top and a top view of the piston ring in the axial direction is shown at the bottom; -
28 until30 : schematic enlarged representations of an outer peripheral surface of a piston ring according to the invention adjacent to a piston receptacle; -
31 : a schematic enlarged representation 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 engine according to the invention designed 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 onto 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-layer fleece with fibers.
Die
Wie insbesondere aus den
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
Es versteht sich dass die Abmessungen des erfindungsgemäßen Kolbenrings von den oben genannten Werten abweichen können, beispielsweise beim Einsatz in Schiffsmotoren oder Kompressoren.It is understood that the dimensions of the piston ring according to the invention can deviate from the above-mentioned values, for example when used in ship engines or compressors.
Wie insbesondere aus den
Zur Montage kann der Kolbenring 10 unter Vergrößerung der Aufweitöffnung 24 aufgeweitet werden. Dies ist in
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
Ein Winkelbereich 30 des Verformungsabschnittes 28 kann beispielsweise ungefähr mehr als 10°, ungefähr mehr als 20° und darüber betragen.An
Spannungen infolge der Verformung können jedoch insbesondere entlang des gesamten Umfanges am Kolbenring 10 auftreten.However, stresses due to the deformation can occur on the
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
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
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 differ from each other along the
Günstig ist es, wenn die Steifigkeit des Kolbenrings 10 entlang der gesamten Umfangsrichtung 18, und nicht nur am Verformungsabschnitt 28, konstant ist.It is advantageous if the rigidity of the
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
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
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
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, the
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
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
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
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.Below, with reference to the groups of figures 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 and 15, reference is made to exemplary orientations of
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
Die
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
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
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 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
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 groups of figures 10 and 11 are designed in exactly the opposite way with regard to the orientation of the
In der Variante gemäß
Die Variante gemäß den
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
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
Die Variante der
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
Umgekehrt verhält es sich mit dem Kolbenring 10 gemäß den
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.By way of example, groups of figures 14 and 15 show variants of the
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 10 hergestellt werden, der radial außenseitig steifer als radial innenseitig ist.In this way, for example, a
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
Beispielsweise ist ein gerader Ringstoß 22 gemäß
Beispielsweise sind schräge Ringstöße 22 in Rechtsausführung oder in Linksausführung gemäß den
Beispielsweise ist ein in axialer Richtung überlappter Ringstoß 22 gemäß
Beispielsweise ist ein gasdichter Ringstoß 22 mit Überlappung in axialer und in radialer Richtung gemäß
Beispielsweise ist ein Ringstoß 22 wie bei einem Kompressionsring mit Tangentialstoß gemäß
Beispielsweise ist ein Ringstoß wie bei einem Kompressionsring mit gasdichtem, verhaktem Stoß gemäß
Beispielsweise ist ein Ringstoß 22 wie bei einem gasdichten Stoß mit rechteckiger Aussparung gemäß
Beispielsweise sind die Stoßenden an den Stirnseiten 26 gemäß den
Beispielsweise ist ein Ringstoß 22 wie bei einem Kompressionsring mit verhaktem Stoß gemäß
Die
Der Kolbenring 10 weist bei den Varianten gemäß den
Über die Nuten 56 kann zwischen dem Kolbenring 10 und der Kolbenlaufbuchse 54 eine Labyrinthdichtung bereitgestellt werden.A labyrinth seal can be provided between the
Der Kolbenring 10 kann, wie bei der Variante gemäß
Die Nuten 56 und 58 können am Kolbenring 10 beispielsweise im Zug einer Nachbearbeitung durch Schleifen oder Fräsen ausgebildet werden.The
Auch die Nuten 60 können zum Beispiel im Wege der Nachbearbeitung durch Schleifen oder Fräsen des Kolbenrings 10 gefertigt werden.The
Die
In der Kolbenaufnahme 62 ist ein Verbrennungskolben 68 aufgenommen, an dem mindestens ein erfindungsgemäßer Kolbenring 10 angeordnet ist.A
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
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.The advantage of using a C/C-SiC piston ring as a compression-compression ring with a relatively small ring joint 22 is 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 scraper 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 second 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.The advantage of such a design is that the piston can be made shorter and is lighter. This can result in a reduction in the free mass forces and the engine can be built with a smaller space requirement. Such an engine can have a lower weight and the center of gravity of the engine 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 made lighter, which enables secondary fuel savings.
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 piece or in several parts. A multi-part design is advantageous, for example, in an application where the expansion of the piston ring during assembly could not be sufficiently guaranteed, even with the relative orientation of the
Zur näheren Erläuterung des Herstellungsverfahrens für den erfindungsgemä-ßen Kolbenring wird zunächst auf
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.During winding, for example, a first,
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
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
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
Bei den Bahnen 90 kann es sich zum Beispiel um Gewebe von Fasern handeln, wie sie in der
Bei einer andersartigen Herstellung kommen Bahnen 90 aus Faservlies 94 zum Einsatz. Die
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 in which
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 is understood that when winding, braiding, using woven
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- KolbenringPiston ring
- 1212
- Matrixmatrix
- 1414
- Faserfiber
- 1616
- Achseaxis
- 1818
- UmfangsrichtungCircumferential direction
- 2020
- radiale Richtung/Dickenrichtungradial direction/thickness direction
- 2222
- RingstoßRing push
- 2424
- Aufweitöffnungexpansion opening
- 2626
- Stirnseitefront side
- 2828
- Verformungsabschnittdeformation section
- 3030
- WinkelbereichAngle 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 mount
- 5454
- KolbenlaufbuchsePiston liner
- 5656
- NutNut
- 5858
- ÖlabstreifnutOil scraper groove
- 6060
- NutNut
- 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
- BahnTrain
- 9292
- FasermaterialFiber material
- 9494
- FaservliesNon-woven fabric
- 96, 98, 9996, 98, 99
- Pfeile VorzugsrichtungArrows preferred direction
Claims (19)
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 |
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DE102020101230A1 DE102020101230A1 (en) | 2021-08-05 |
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Citations (2)
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DE1934469A1 (en) | 1969-07-08 | 1971-01-21 | Wellworthy Ltd | Sealing ring for engines, compressors, pistons - etc |
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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DE1934469U (en) | 1965-12-11 | 1966-03-10 | Otto Bloetz | COVER FOR TRUCK. |
-
2020
- 2020-01-20 DE DE102020101230.6A patent/DE102020101230B4/en active Active
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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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|
R016 | Response to examination communication | ||
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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 | ||
R020 | Patent grant now final |