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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring in Hohlbauweise bzw. Fachwerkbauweise.
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Bisher sind sehr viele verschiedene Arten von Kolbenringen bekannt. Seit der Erfindung des Verbrennungsmotors nach Otto oder Diesel werden Kolbenringe in Verbrennungsmotoren verwendet und sind seit über 100 Jahren der Technik bekannt, daher wird hier nicht näher auf den bekannten Stand der Technik eingegangen.
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Es kann zum Verständnis einiger Ausführungsformen als hilfreich angesehen werden das Patentdokument
EP1358392B1 und
DE 69821617T2 zu betrachten.
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Bei Kolbenringen stellen sich die Designziele, dass sie kostengünstig, leicht, verschleißfest sind und ein sogenanntes gutes Formfüllvermögen besitzen.
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Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Kolbenring mit den Merkmalen einer der unabhängigen Ansprüche erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Kolbenring, und zwar Kompressions- oder auch Ölring, der mit Hohlräumen versehen ist, um Gewicht einzusparen. Eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Kolbenring und zwar Kompressions- oder auch Ölring, der mit einem speziellen inneren Rippendesign oder Fachwerk ausgestattet ist. Eine zusätzliche Idee der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Kolbenring dh Kompressions- oder auch Ölring, der mit einem oder mehreren Hohlräumen versehen, in dem ein Stabwerk oder Stabfachwerk angeordnet ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring mit mindestens einer Ringaußenseite bzw. Ringaußenwand, einer unteren Ringflanke, einer oberen Ringflanke sowie einer Ringinnenseite bzw. Ringinnenwand bereitgestellt. Die Ringaußenseite, die untere Ringflanke, die obere Ringflanke sowie die Ringinnenseite sind miteinander in Umfangsrichtung verbunden. Die Ringaußenseite, die untere Ringflanke, die obere Ringflanke sowie die Ringinnenseite bilden dabei ein Hohlprofil. Hier wird durch die Verwendung eines Hohlprofils Gewicht im Bereich der Neutralen Faser eingespart, wodurch das Gewicht eines Kolbenrings einfach verringert werden kann.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring bereitgestellt der mindestens eine Lauffläche, eine untere Ringflanke, eine obere Ringflanke, und mindestens eine Rippe umfasst. Die mindestens eine Rippe verbindet dabei die obere Ringflanke mit der unteren Ringflanke, und/oder die mindestens eine Rippe verbindet mindestens eine Lauffläche mit der unteren Ringflanke, und/oder die mindestens eine Rippe verbindet die mindestens eine Lauffläche mit der oberen Ringflanke. Hier sind Rippen vorgesehen, die eine innere Versteifung eines als Hohlkörper ausgeführten Kolbenrings erreichen. Die mindestens eine Lauffläche ist dazu vorgesehen mit einer Kolbeninnenfläche in Kontakt zu treten. Es können eine oder mehrere Laufflächen vorgesehen sein.
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Bei einem Ölabstreifring mit zwei Stahllamellen können zwei Stahllamellen, die die obere bzw. untere Ringflanke bilden, durch mindestens eine in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung oder schräg zu der Axialrichtung verlaufende Rippe miteinander verbunden sein. Der Begriff Rippe wird hier im Sinne eines flächigen Bauteils verwendet, das ähnlich einer Kühlrippe ausgeführt ist. Die Rippen können ein Rippen- oder Flächenfachwerk bilden.
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Der Kolbenring umfassend mindestens eine Lauffläche, die eingerichtet ist mit einer Zylinderinnenfläche in Kontakt zu stehen und eine untere Ringflanke, die eingerichtet ist mit einer unteren, das heißt kurbelwellenseitigen Kolbenringnutflanke eines Kolbens in Kontakt zu stehen, und umfasst weiter eine obere Kolbenringflanke, die eingerichtet ist, mit einer brennraumseitigen Kolbenringnutflanke in Kontakt zu stehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Kolbenring weiterhin mindestens ein Stabelement, wobei das mindestens eine Stabelement die obere Ringflanke mit der unteren Ringflanke verbindet, und/oder die mindestens eine Lauffläche mit der unteren Ringflanke verbindet, und/oder mindestens eine Lauffläche mit der oberen Ringflanke verbindet.
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Diese Ausführung umfasst Rippen und Stabelemente, die jeweils Rippen- und Stabfachwerke oder ein kombiniertes Rippen-Stabfachwerk bilden können. Die mindestens eine Lauffläche kann auf einer durchgehenden Ringaußenseite angeordnet sein oder diese im Wesentlichen bilden, oder sie können sich auf Lamellen befinden, die ÖlabstreifringelLippen eines Ölabstreifrings bilden. Das Stabelement soll hier einen Balken oder Stab bezeichnen, aus dem sich ein Stab- oder Fachwerk zusammensetzen lässt, das in dieser Ausführung mit einem Flächenfachwerk kombiniert wird.
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In einer Ausführung ist die mindestens eine Lauffläche auf einer in Radialrichtung außenliegenden Ringaußenfläche oder Ringaußenwand angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die mindestens eine Lauffläche lediglich einen Teil der Ringaußenfläche, wobei zumindest ein Teil der Ringaußenfläche nicht dazu bestimmt ist, mit einer Kolbeninnenfläche in Kontakt zu treten.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring mit mindestens einer Lauffläche, einer untere Ringflanke, und einer obere Ringflanke, bereitgestellt. Der Kolbenring dieses Aspekts umfasst weiter mindestens ein Stabelement, wobei das mindestens eine Stabelement die obere Ringflanke mit der unteren Ringflanke verbindet, und/oder die mindestens eine Lauffläche mit der unteren Ringflanke verbindet, und/oder mindestens eine Lauffläche, mit der oberen Ringflanke verbindet.
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Der Begriff Stabelement soll hier ein im Wesentlichen gerades langgestrecktes Element mit einer senkrecht zu seiner Haupterstreckungsrichtung im wesentlichen gleichbleibenden Querschnittsfläche bezeichnen. Es sind Übergangs- und Endverdickungen und Übergangs- und Endverrundungen vorgesehen.
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Grundlegend ist diese Ausführung auf eine Ausführung gerichtet, die als Ölabstreifring dienen soll. Dabei verbindet ein Stabfachwerk zwei Lamellen miteinander, die jeweils die untere bzw. obere Ringflanke bilden.
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Es ist jedoch ebenfalls vorgesehen eine Ausführung zu verwirklichen, bei der eine durchgängige Ringaußenfläche und eine durchgängigen Ringinnenfläche vorhanden sind, die zusammen mit den Flanken einen Hohlkörper bilden, wobei in dem Hohlraum des Hohlkörpers ein Stabfachwerk bzw. Stabwerk angeordnet ist.
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Bei einer Ausführungsform als Hohlprofil umfasst der Kolbenring weiter eine Ringinnenseite oder eine Ringinnenseite und eine Ringaußenseite, wobei die Ringaußenseite, die untere Ringflanke, die obere Ringflanke sowie die Ringinnenseite ein Hohlprofil bilden, und wobei die mindestens eine Rippe und/oder das mindestens eine Stabelement in dem Hohlraum angeordnet sind. Im Gegensatz zu der ersten Ausführung ist nicht nur ein Hohlprofil sondern ein durch Rippen oder Stäbe bzw. ein Rippenwerk oder ein Stabwerk abgestütztes Hohlprofil vorgesehen, bei dem jegliche Belastungen, die auf eine der Flächen wirkt, von entsprechenden Rippen oder Streben bzw. Stabelementen so abgeleitet werden kann, dass eine Gesamtsteifigkeit erreicht werden kann, die mit einem aus Vollmaterial hergestellten Kolbenring vergleichbar ist.
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Ein hohler bzw. als Hohlprofil ausgelegter Kolbenring kann auch durch Strangpressen oder Stranggießen hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist ebenfalls darauf gerichtet, ein Hohlprofil zu bilden, das mittels mindestens einer Rippe innen versteift ist. Eine Schrägrippe, ist vorgesehen, die den Ringinnenraum in zwei im Profil im Wesentlichen dreieckige Hohlräume teilt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Profil des Kolbenrings mit einem Andreaskreuz in 4 im Querschnitt dreieckigen Hohlräumen aufgeteilt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Profil des Kolbenrings mit einem Kreuz in 4 im Querschnitt viereckige Hohlräume aufgeteilt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Profil des Kolbenrings mit einer Raute 4 im Querschnitt dreieckigen Hohlräume und einen im Querschnitt im Wesentlichen rautenförmigen Hohlraum aufgeteilt. In einer weiteren Ausführungsform stellen die Rippen im Inneren eine Überlagerung eines Kreuzes und eines Andreaskreuzes dar.
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Die Ausführungsformen mit den Stabelementen eignen sich hingegen eher für Gusstechniken und additive Fertigungsverfahren.
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Bei einer Ausführungsform ist die mindestens eine Lauffläche auf einer Ringaußenfläche angeordnet, die die untere Ringflanke und die obere Ringflanke miteinander verbindet. Dies stellt eine klassische Ausführung eines Kompressions- oder Ölsteuerungsrings dar wie sie in der obersten und mittleren Kolbenringnut eines Kolbens eines Verbrennungsmotors verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform sind zwei Laufflächen vorgesehen, die als Außenrand bzw. Abstreiflippen von Lamellen ausgeführt sind, wie sie von dreiteiligen Ölabstreifringen bekannt sind. Hier ist je eine Lauffläche auf einer oberen bzw. unteren Lamelle angeordnet, die jeweils die obere bzw. untere Ringflanke bilden. Diese Ausführung entspricht einem dreiteiligen Kolbenring, wobei die Rippen oder Stäbe die Lamellen miteinander verbinden. Auf den ersten Blick könnte man den Kolbenring dieser Ausführung für einen klassischen dreiteiligen Kolbenring halten, bei dem eine MF oder SS50 Feder direkt mit den Abstreifscheibenringen oder auch Rails verbunden sind, weshalb auf die üblichen Vorsprünge, welche die Rails von innen in Radialrichtung nach außen abstützen verzichtet werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings werden mehrere Stabelemente verwendet,die einen Iso-Verband bilden. Der Iso-Verband oder iso-trusstm stellt eine besondere Kombination von Längs- und Querverstrebungen bereit, die eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht aufwiesen. Der Iso-Verband kann dabei auf verschiedene Weise ausgeführt werden, wobei bei bevorzugen Ausführungen auf die Längs- bzw. Umfangselemente ganz oder teilweise verzichtet werden kann, da diese von den oberen bzw. unteren Flanken und/oder der Ringinnen- bzw. Ringaußenseite ersetzt werden können.
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Bevorzugt sind die Kolbenringe wie sie vorstehend beschrieben wurden mit einem Ringspalt ausgestattet, der zwischen zwei Stoßenden des Kolbenrings gebildet sind wobei die zwei Stoßenden in Umfangsrichtung geschlossen sind. Im Falle eines aus einem Hohlprofil gebildeten Kolbenrings bedeutet dies, dass der Hohlraum des Kolbenrings geschlossen ist. Im Falle eins Ölabstreifrings mit zwei Lamellen, sind die obere und untere Lamelle bzw., die obere und untere Ringflanke durch ein flächiges Element einer Rippe miteinander verbunden, die einen Ringspalt mit im Wesentlichen gleichmäßiger Spaltbreite erzeugt.
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Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Kolbenrings ist mindestens eine Ringflanke oder die Ringaußenseite oder die mindestens eine Lauffläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Durch die innere Fachwerkstruktur kann die Steifigkeit der Ringaußenseite so stark erhöht werden, dass eine radiale Dicke der Ringaußenseite bzw. Ringaußenwand weiter verringert werden kann, da durch die Verschleißschutzschicht kein Material vorgehalten werden muss, dass durch Verschließ verloren geht.
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Die vorliegende Erfindung kann bei Kolbenringen (Kompressions- oder auch Ölringen) von Kolbenmotoren eingesetzt werden wobei die Ringe mit einem speziellen inneren Rippendesign oder Stab-Fachwerk oder Stab-Rippenfachwerk ausgestattet sind.
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Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Kolbenrings ändert sich das Rippen- und oder Stabfachwerk in Umfangsrichtung. Hier wird also nicht nur eine Art von Fachwerk über den gesamten Umfang eingesetzt sondern das Fachwerk kann an die zu erwartenden oder gewünschten Belastungen angepasst werden, beispielsweise um eine besonders gleichmäßige Radialdruckverteilung zu erreichen oder eine Radialdruckverteilung zu schaffen, die an den Stoßenden einen verringerten Anpressdruck aufweist. Es ist klar, dass sich je nach verwendetem Fachwerk die Radialdruckverteilung eines Kolbenrings von beispielsweise symmetrisch zu positiv oval anpassen lässt.
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Es ist ebenfalls vorgesehen, dass der Kolbenring aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt ist. So kann beispielsweise die Ringaußenseite, die mindestens eine Lauffläche oder die Flanken aus einem Material hergestellt sein, das sich von dem Material unterscheidet aus dem die wenigstens eine Rippe und/oder das wenigstens eine Stabelement hergestellt ist. Zudem kann die Lauffläche und die Flanken mit einer Verschleißschutzschicht und/ oder Einlaufschichten versehen werden.
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Die Herstellung des Kolbenringes kann im Einzel- oder Schleudergußverfahren als Vollmaterial erfolgen. Es ist ebenfalls möglich Strangpress- und Stranggussverfahren einzusetzen.
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Die Erfindung beinhaltet einen Kolbenring (Kompressions- und auch Ölring), der mit einem speziellen inneren Rippendesign (Fachwerk) ausgestattet wird. Dieses spezielle Design kann bei Kolbenringen für Querschnitte von 3 × 5mm bis 35 × 50mm und für alle Designs wie Rechteckring, Doppeltrapezring, Minutenring, Ölring eingesetzt werden.
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Über die Rippen ist der Ring in der Lage an jeder Stelle des Kolbenringes unterschiedliche Kräfte und/oder Temperaturen aufzunehmen. Die Rippen bilden abgeschlossene Räume von 1 bis unendlich. Mittels FEA Analyse können die Rippenanzahl, ihre Stärke und Richtung so gewählt werden, daß man durch die Verteilung der Rippen die Druckverteilung des Ringes am Umfang beeinflussen kann (weniger Druck am Stoß oder sogar am Umfang ganz unterschiedlich).
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Vorteile dieser Erfindung bestehen in einer Reduzierung des Volumens und damit des Gewichts. Durch die Änderung wird die Abdichtungsfunktion des Rings nicht eingeschränkt. Das Formfüllvermögen des Rings kann durch das Design des Fachwerks verbessert werden.
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Bei der Produktion des Ringes mittels 3D-Druck können außerdem verschiedene Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann die Lauffläche mit einem anderen Material produziert werden, um gute tribologische Eigenschaften aber auch eine hohe Verschleiß- und Brandspurbeständigkeit zu erreichen. Das Fachwerk im Innern des Ringes kann je nach Anforderung an eine gute Wärmeleitfähigkeit oder eine höhere Festigkeit optimiert werden. Die Rippen und damit Kammern können am gesamten Umfang des Ringes sein, aber es kann auch Unterbrechungen mit Vollmaterial geben, da wo es aus technischen Gründen notwendig ist.
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Der „Rohling“ zumindest aus dem 3-D-Druck ist nahe am Endprodukt vorgesehen, dies bedeutet nur eine geringe mechanische Produktion, ggf. ist kein zusätzliches Aufbringen einer Laufflächen- oder Flankenschicht notwendig, weshalb die Produktion kostengünstig und mit geringen Werkzeugkosten möglich ist.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben.
- 1 zeigt eine perspektivische Teil- und Schnittansicht eines herkömmlichen Kolbenrings aus Vollmaterial.
- 2A bis 2G zeigen Ausführungsformen von verschiedenen erfindungsgemäßen Kolbenringen, bei denen Material im Bereich der Neutralen Naser entfernt wurde.
- 3 zeigt eine Ausführung eines Kolbenrings mit einem Stabfachwerk.
- 4A bis 4D zeigen schematische Aufsichten auf Ausführungsformen von Kolbenringen mit möglichen Verläufen von Rippen- oder Stabfachwerken
- 5A bis 10B zeigen Elementarzellen eines Fachwerks und Ausschnitte von Kolbenringen zur Veranschaulichung möglicher Fachwerke.
- 10A bis 12C zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen von Kolbenringen die einen abgewandelten ISO-Verbund als Fachwerk einsetzen.
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Sowohl in der Beschreibung als auch in den Zeichnungen werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen eingesetzt um auf gleiche oder ähnliche Komponenten oder Elemente Bezug zu nehmen.
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1 zeigt eine perspektivische Teil und Schnittansicht eines herkömmlichen Kolbenrings aus Vollmaterial. Der herkömmliche Kolbenring umfasst dabei eine Ringinnenseite, eine obere Ringflanke, eine untere Ringflanke, eine Ringaußenseite die teilweise eine Lauffläche bildet. Die Fläche im Vordergrund kann als Schnittebene oder als Stoßende angesehen werden. Der herkömmliche Kolbenring ist aus Vollmaterial gefertigt.
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In 2A zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenrings bei dem Material im Bereich der Neutralen Faser entfernt wurde um ein Gewicht des Kolbenrings zu verringern, ohne die mechanischen Eigenschaften des Kolbenrings wesentlich zu verändern. Die neutrale Faser wurde hier durch eine Strichpunktlinie dargestellt. Es wurde Material im Wesentlichen in der Form eines Torus entfernt. Durch das Entfernen des Materials kann auf einfache Weise Material und damit Gewicht eingespart werden.
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In 2B wurde ein im Querschnitt im wesentlichen dreieckiger Hohlraum eingesetzt wobei das Material des Kolbenrings im wesentlichen zwei Keile bildet die sich von den Flanken in Richtung des Ringaußenseite bzw. der Lauffläche erstrecken. Durch diese Ausführung ist sehr wenig Material an Stellen weggenommen worden, die für einen Wärmeübertrag von dem Kolben in Richtung gekühlte Zylinderinnenwand notwendig ist. Diese Ausführungen gestatten weiterhin eine hohe Wärmeableitung bei einem weiter verringerten Gewicht.
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2C verwendet einen Querschnitt der im Wesentlichen der Außenkontur folgt. Hier wird aufgrund des großen Hohlraums eine Erhöhung der Abmessungen des Kolbenrings notwendig sein, um weiterhin ausreichende Kühlung und Radial-Anpresskräfte zu erreichen. Die Masse des Kolbenrings wurde jedoch für ein Hohlprofil mit einem einzigen Hohlraum maximal vergrößert. Es kommt ein im wesentlichen viereckiger Hohlraum zum Einsatz.
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2D zeigt einen Hohlraum der mittels zweier Rippen die im Querschnitt jeweils diagonal verlaufen versteift sind. Die Versteifung bildet im Querschnitt ein Andreaskreuz. Durch die im Querschnitt gebildeten Dreiecke wird eine hohe Verwindungs/Twiststeifigkeit erzielt. Der Querschnitt ist in dieser Ausführung ebenfalls sehr stabil gegen Scherkräfte in Axial- und Radialrichtung.
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In der 2E wurde die Andreaskreuz-Rippen-Konfiguration der 2D durch zusätzliches Kreuz versteift, wodurch die Lauffläche und die Ringflanken besser abgestützt werden. Dies ist die momentan angestrebte Konfiguration da vor allem die stark belasteten Kanten zwischen der Ringaußenseite und den Flanken besonders gut abgestützt werden.
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2F stellt eine Konfiguration dar, bei der im Wesentlichen zwei Rippen jeweils die Lauffläche gegen die obere und untere Ringflanke abstützen. Diese Konfiguration lässt eine besonders gute Wärmeableitung vermuten, da die Rippen im Querschnitt von einer Radial-Mitte der Flanken zu der Axial-Mitte der Lauffläche verlaufen, dem Ort an dem der Ring die meiste Wärme ableiten kann. Die Konfiguration kann weiter durch zusätzliche Rippen, die kreuzförmig verlaufen und durch Strich-Punkt-Punkt-Linien angedeutet verstärkt werden. Es ist ebenfalls vorgesehen weitere im Querschnitt quer verlaufende Rippen einzusetzen die eine rautenförmige Abstützung ermöglichen die zusammen mit einer Rippe in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung eine besondere Festigkeit und Wärmeableitung erreichen kann.
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2G zeigt ein Rippenfachwerk, das in einem Hohlraum in Umfangsrichtung verläuft und bei dem Rippen parallel zu der Axialrichtung und schräg zu der Radialrichtung verlaufen. Jede Rippe des Fachwerks kann dabei aus einem anderen Material als die restlichen Komponenten des Kolbenrings gefertigt sein. Jede Rippe verläuft in diesem Beispiel von einer Ringinnenseite oder einer Ringinnenwand zu einer Ringaußenseite oder Ringaußenwand an der sich auch die Lauffläche befindet. Ein Stabelement im Hintergrund erstreckt sich direkt von der oberen Ringflanke zur unteren Ringflanke.
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3 zeigt eine Ausführung eines Kolbenrings mit einem Stabfachwerk. Die Stabelemente verlaufen hier schräg von den Flanken zu der Ringaußenwand. Die im Vordergrund dargestellten Stabelemente verlaufen in dem Hohlraum jeweils (lokal betrachtet) diagonal sowohl zur Axialrichtung als auch zur Umfangsrichtung als auch zur Radialrichtung. Das im Hintergrund dargestellte Stabelement verläuft direkt von der oberen Ringflanke zur unteren Ringflanke. Je nach Lokalisierung und Ausrichtung der Stabelemente können unterschiedliche Fachwerke erzeugt werden. Das Stabfachwerk bildet zusammen mit den Flanken und der Innen- bzw. Außenseite ein Stab-Flächenfachwerk. Diese Ausführung kann auch mit einem Rippenfachwerk kombiniert werden.
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4A zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Kolbenring und einen möglichen Verlauf eines Rippen- oder Stabfachwerks. In der 4A ist ein einfaches Strebenfachwerk dargestellt, das der Ringform angepasst ist. Das Fachwerk kann als Stab- oder Rippenfachwerk ausgeführt sein. Diese Ausführung kann der entsprechen, die in der 2G dargestellt ist, kann jedoch auch durch verschiedene Stabelemente umgesetzt werden.
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In 4B wurde das Fachwerk von 4A abgewandelt, um eine Radialdruckverteilung zu erreichen bei der die Stoßenden entlastet werden, um einem erhöhten Stoßendenverschleiß entgegenzuwirken. Zur Verdeutlichung wurde kein Übergang zwischen den dichteren Fachwerkabschnitten in den Bereichen um 2, 6 und 10 Uhr und den bezüglich 4A unveränderten Fachwerks-Bereichen vorgesehen. Tatsächlich wurden hier allmähliche Übergänge mithilfe von numerischen Simulationsmethoden ermittelt und eingesetzt werden.
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In der 4C wird anstelle des Strebenfachwerks von 4A ein Andreaskreuz-Fachwerk oder Gitterträger verwendet. Dieses Fachwerk kann ebenfalls als Rippen oder Stab-Raumfachwerk umgesetzt werden.
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In der 4D werden wie in 4B verschiedene Fachwerke eingesetzt, um eine gewünschte Radialdruckverteilung zu erreichen. Auch hier sind die Ringenden bzw. Stoßenden entlastet, um eine ovale Druckverteilung zu erreichen, bei der der Verschleiß an den Stoßenden verringert ist. Hier wird das Strebenfachwerk von 4A mit dem Andreaskreuz-Fachwerk von 4C kombiniert. Zusätzlich können noch die Stärken der Rippen und Stabelemente angepasst werden, um gewünschte mechanische Eigenschaften zu erreichen.
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5A bis 9B zeigen jeweils eine Elementarzelle eines Fachwerks und eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Fachwerkrings.
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5A zeigt eine Elementarzelle eines Quader oder Würfel-Diagonalfachwerks. In der isometrischen Darstellung verlaufen die Fachwerkstreben jeweils von einer Ecke eines Würfels zu der diagonal gegenüberliegenden Ecke, wobei sich die Diagonalen in der Mitte des Würfels treffen. Die Kanten des Würfels sind nur zur Verdeutlichung dargestellt. Der Würfel umfasst 4 Raumdiagonalen, die in der Figur fett dargestellt sind.
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5B zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrings in einer isometrischen Darstellung, wobei die einzelnen Würfel der Elementarzelle von 5A verzerrt sind, um dem Verlauf des Kolbenrings zu folgen. In der Figur sind Raumdiagonalen hervorgehoben, die Flanken und die Innen- Außenseite bilden dabei die Teile, die durch das Fachwerk versteift werden. Dieses Raumdiagonalen-Fachwerk entspricht in der Aufsicht der Darstellung von 4C.
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In der 6A wurde die Raumdiagonalen der Elementarzelle der 5A durch gerade Stabelemente in Axialrichtung ergänzt, die den Kanten des Würfels entsprechen, weiterhin wurde ein Stabelement in Axialrichtung vorgesehen, das durch die Mitte des Würfels verläuft.
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In der 6A sind weiterhin ein oberer Quader und ein unterer Quader dargestellt, die den Rails eines dreiteiligen Ölabstreifrings entsprechen. Dieses Fachwerk kann mit den Rails verbunden werden und bietet durch die Axial-Stabelemente ausreichend Stabilität in allen möglichen Belastungsfällen.
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6B zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrings in einer isometrischen Darstellung, wobei die einzelnen Würfel der Elementarzelle von 6A entsprechen. Die Rails wurden der Klarheit halber nicht dargestellt.
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In der 7A wurde die Raumdiagonale der Elementarzelle der 6A durch gerade Stabelemente ergänzt, die in den Flächendiagonalen eines Elementarwürfels entsprechen, Es wurden jedoch nur eine Flächendiagonale der Innenseite und der Außenseite eingesetzt, wodurch die Elementarzelle nun zwei Würfel umfasst, sodass die Innenseite und die Außenseite jeweils eine Diagonale umfassen, die in Umfangsrichtung entweder von unten nach oben oder von oben nach unten verläuft. Das Fachwerk entspricht an der Innenseite und an der Außenseite einem Strebenfachwerk mit Pfosten. Auch diese Ausführung ist auf Ölabstreifringe gerichtet, wobei auch hier die Rails nicht dargestellt sind.
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7B zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrings in einer isometrischen Darstellung wobei die einzelnen Würfel der Elementarzelle von 7A entsprechen. Die Rails wurden der Klarheit halber nicht dargestellt.
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In der 8A wurde die Flächendiagonalen der Elementarzelle der 7A mit den zugehörigen Flächendiagonalen ergänzt sodass sich die Flächendiagonale der Innenseite und der Außenseite jeweils schneiden. Die Elementarzelle umfasst hier nun wieder nur einen Würfel. Die hinzugekommenen Flächendiagonalen sind hervorgehoben.
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8B zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrings in einer Isometrischen Darstellung, wobei die einzelnen Würfel der Elementarzelle von 8A entsprechen. Die Rails sind weder in der 8A noch in der 8B der Klarheit halber dargestellt.
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In der 9A wurden zusätzlich die Flächendiagonalen der Flächen der Elementarzelle ergänzt, die in Radial- und Axialrichtung aufgespannt sind.
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9B zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrings in einer Isometrischen Darstellung wobei die einzelnen Würfel der Elementarzelle von 9A entsprechen. Die Rails sind weder in der 9A noch in der 9B der Klarheit halber nicht dargestellt.
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Durch die Folge der 5A bis 9B kann sich jeder Betrachter einfach vorstellen wie die einzelnen Streben in der 9B verlaufen, was bei einer Darstellung lediglich der 5B nicht ohne weiteres nachvollziehbar wäre.
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10A bis 12C zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen von Kolbenringen, die einen abgewandelten ISO-Verbund als Fachwerk einsetzen.
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In der
10A ist ein ISO-Verband in einer Querschnittsansicht dargestellt. Ein Iso-Verband ist nur sehr schwer vor- und darstellbar, umfasst jedoch eine Kombination von langgestreckten Längselementen, die mit Raumdiagonalen zu einem Fachwerk verbunden sind. Längselemente sind als Punkte dargestellt und verlaufen senkrecht zu der Bildebene. Die Querstreben verlaufen bei der dargestellten Version schräg zu den Längselementen und schräg zu der Bildebene. In der Projektion ergeben sich bei einem Basis - 6 -Verband in der Projektion ein sechseckiger Stern, wobei an den Spitzen jeweils vier Querstreben zusammenlaufen und eine Pyramide bilden. An den Knotenpunkten der Querstreben und der Längselemente treffen jeweils zwei Querstreben und ein Längselement aufeinander und bilden einen Knotenpunkt. Weitere Informationen wie dieser Verband zu verstehen ist, ist in den obengenannten Dokumenten zum Stand der Technik angegeben (
EP1358392B1 und
DE 69821617T2 ).
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In der 10B ist der Iso-Verband so abgeändert, dass er in den Hohlraum des Kolbenrings von 2D passt, sofern die Rippen entfernt wurden. Durch ein Abflachen des Verbandes kann der Verband zum Aussteifen eines Hohlraums eines Kolbenrings verwendet werden. Hier wird das Fachwerk angepasst, um zu den Abmessungen des Hohlraums zu passen. Weiterhin wird das Fachwerk angepasst, um der Kreisform des Kolbenrings zu folgen.
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10C zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Kolbenrings mit einem angepassten Iso-Verband in einer Schnittansicht. Die einzelnen Querstreben sind hier gebogen dargestellt, sollten aber in der Endversion gerade ausgeführt werden. Die besonders fett dargestellten Kreisbögen oben und unten entsprechen den Schnitten durch die Ringinnen- bzw. Ringaußenseite. Die dargestellten Längs- und Querstreben bilden ein Raumfachwerk.
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In der 10C ist eine Ungenauigkeit dargestellt. Entgegen Darstellung sollten die einzelnen Querstreben gerade verlaufen und nicht wie dargestellt gekrümmt verlaufen. In einer klaren Darstellung verlaufen alle Querstreben gerade zwischen ihren Endpunkten, wodurch sich die Lage der Längselemente in den 10B bis 10C verschiebt.
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In der 11A ist ein abgewandelter Iso-Verband bei dem BK-Verband, das die Längselementen des Iso-Verbandes nach außen auf die Spitzen der durch die Querstreben gebildeten Pyramiden verlegt. Bei dem BK-Verband trifft an jedem Knoten ein Längselement auf vier Querstreben. Im Vergleich zum Iso-Verband liegen die Längselemente weiter auseinander. Ein Vorteil besteht darin, dass alle Querstreben von den langgestreckten Längselementen geschützt sind. wodurch ein glattes Erscheinungsbild erreicht wird. In der Projektion ergeben sich bei einem Basis - 6 - BK -Verband in der Projektion ein sechseckiger Stern, wobei an den Spitzen jeweils vier Querstreben und ein Längselement zusammenlaufen. An den Knotenpunkten der Querstreben treffen jeweils zwei Querstreben aufeinander und bilden einen Knotenpunkt.
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In der 11B ist der Verband der 11A so abgeändert, dass er in den Hohlraum des Kolbenrings von 2D passt, sofern die Rippen entfernt wurden. Durch ein Abflachen des Verbandes kann der Verband zum Aussteifen eines Hohlraums eines Kolbenrings verwendet werden. Hier weist das BK-Fachwerk den Vorteil auf, dass im Innenraum des Kolbenrings keine Längselemente in Umfangsrichtung vorgesehen werden müssen, da die Kräfte von den Ringflanken und den Innen- bzw. Außenseiten aufgenommen werden. Ein weiterer großer Vorteil dieses Verbandes besteht darin, dass der Bereich der Neutralen Faser des Kolbenrings fast vollständig ausgespart bleibt.
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11C zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Kolbenrings mit einem angepassten BK-Verband in einer Schnittansicht. Die einzelnen Querstreben sind hier gebogen dargestellt, sollten aber in der Endversion gerade ausgeführt werden. Die besonders fett dargestellten Kreisbögen oben und unten entsprechen den Schnitten durch die Ringinnen- bzw. Ringaußenseite. Im Vergleich zu der Darstellung der 10CD fehlen die Längsträger des Raumfachwerks von 10C und es sind lediglich Querstreben vorhanden die das Raumfachwerk bilden.
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In der 10C wurden die gekrümmten Querstreben durch gerade ersetzt, was jedoch einem Verständnis des Verlaufs der Querstreben entgegensteht. Dadurch, dass in dieser klaren Darstellung alle Querstreben gerade zwischen ihren Endpunkten verlaufen, geht ein Tiefeneindruck verloren.
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In der 12A zeigt den abgewandelten Iso-Verband, das BK-Fachwerk von 12A.
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In der 12B ist der Verband der 12A so abgeändert, dass er in den Zwischenraum zweier Rails eines Ölabstreif-Kolbenrings passt. Durch ein Abflachen des Verbandes kann der Verband zum steifen Verbinden der Rails oder Lamellen eines Kolbenrings verwendet werden. Hier weist das BK-Fachwerk den Vorteil auf, dass im Innenraum des Kolbenrings nur zwei Längs- bzw Umfangselemente in Umfangsrichtung vorgesehen werden müssen, da die Kräfte von den Ringflanken aufgenommen werden. Lediglich zwei Längs- bzw. Umfangselemente sind vorgesehen, um die freien Knotenpunkte der Querstreben miteinander zu verbinden. Auch hier sind in dem Bereich der Neutralen Faser des Kolbenrings weder Längselemente noch Querstreben vorgesehen.
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In der 12C sind die Innen- und Außenränder der Rails durch gestrichelte Linien dargestellt.
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Es sollte klar sein, dass verschiedene Aspekte die in den einzelnen Ausführungen der Figuren dargestellt sind auch miteinander kombiniert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Hohlprofil-Kolbenring
- 4
- Hohlraum
- 6
- Hohlprofil-Kolbenring mit Rippen in dem Hohlraum
- 8
- Rippe
- 10
- Rippenfachwerk
- 12
- Axialrippen
- 14
- Radialrippen
- 16
- Umfangsrippen
- 18
- Kolbenring mit Stabelementen in dem Hohlraum
- 20
- Stabelement
- 22
- Stabelement / Stabfachwerk
- 24
- Axial-Stabelement
- 26
- Radial-Stabelement
- 28
- Umfangs-Stabelement
- 30
- Umfangs-Stabelement
- 32
- Ölabstreifring Stabelementen
- 34
- Ölabstreifring-Lamelle
- 36
- Iso-Verbund
- 38
- Iso-Verbund
- 40
- Fachwerkzelle
- 42
- Fachwerkabschnitt
- 44
- Stab-Rippen-Fachwerk / Rippen- Stab- Fachwerk
- 46
- Neutrale Faser
- 48
- Herkömmlicher Kolbenring
- 50
- Ringinnenseite
- 52
- obere Ringflanke / obere Ringflankenwand
- 54
- untere Ringflanke / untere Ringflankenwand
- 56
- Ringaußenseite
- 58
- Lauffläche
- 60
- Schnittebene oder als
- 62
- Stoßfläche / Stoßende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1358392 B1 [0003, 0064]
- DE 69821617 T2 [0003, 0064]
