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"Verschleissfester Kolbenring" Die Erfindung liegt auf dezn Gebiet
der Kolbenmaschinen und betrifft einen verschleissfesten Kolbenring.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung in A-wendung
auf einen Schienenring oder ein Segment erläutert, das bei zusammengesetzten Ringen,
insbesondere bei den Ringen benutzt wird, die als Ölringe dienen. Es ergibt sich
von selbst, dass sich viele Vorteile auch dann einstellen, wenn die Erfindung auf
Kolbenringe aus Gusseisen angewendet wird.
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Das Chromplattieren der radial aussen liegenden Oberfläche von Rigschienen
von Kolbenringen ist seit vielen Jahren üblich. Der Zweck ist dabei, die tatsächliche
Lebensdauer des Ringes dadurch erheblich zu steigern, dass eine zweite verschleissfeste
Dichtoberfläche zum Eingriff mit der Zylinderwand gebracht wird. Theoretisch sollte
die Anwendung
des Chromplattierens die zugrundliegenden Probleme
vollständig lösen. Die Praxis zeigt jedoch, dass die Lösung nicht vollkommen ist.
Um einen Ring zu schaffen, der den heutigen Anforderungen an moderne Kolbenmaschinen
entspricht, ist eine Schicht von mindestens 0,254 mm erforderlich. Andererseits
ist eine solche Schicht fertigungstechnisch nicht zweckmässig, da Oberflächenunregelmässigkeiten
bzw. Grübchen und andere Beeinträchtigungen in der Ohremsohicht auftreten, wenn
ihre Dicke 0,254 mm übersteigt.
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Darüber hinaus steigen die Kosten eines solchen Ringes beträchtlich.
Ans diesem Grunde gilt eine Dicke von 0,254 mm als praktische Grenze flir die Chromschicht.
Es zeigt sich, dass viele Fahrzeuge bis zu einer Fahrstrecke von etwa 65 000 km
ausgeeichnete Betriebsverhältnisse im Hinblick auf die Kolbenringe aufweisen. Bn
dieser Stelle ist jedoch die Chromplattierung verschliessen, und der Verschleiss
an dem weicheren Ringkörper schreitet schnell voran. Das Ergebnis ist eine Zerstörung
des Ringes innerhalb weniger tausend Kilometer nach Erreichen dieses Zustandes.
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Es wurde auch festgestellt, dass, obwohl sich noch eine gewisse Chromschicht
auf der Oberfläche des Ringes befindet, an diesem Punkt eine Zerstörung des Ringes
einsetzt, und zwar infolge der Verminderung der Ringspannung, die notwendig ist
zur Aufrechterhaltung einer wirksamen Abdichtung gegenüber der Zylinderoberfläche,
und infolge des Verlustes der Beweglichkeit der Ringschiene längs des Ringumfangs.
Der Verlust dieser Beweglichkeit ist eine Folge des Verschleisses an der inneren
radialen Oberfläche des Ringes an den Stellen, die mit dem Spannring in Verbindung
stehen. Wenn man an dieser Stelle eine besonders verschleissfeste Obefläche voraieht,
wird dieses Problem gelöst. Jedoch sind bisher keine Vorschläge gemacht worden,
die in er Lage waren, zu zufriedenstellenden Lösungen der vorstehend aufgezeigten
Probleme beizutragen.
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Nach der Erfindung ist ein Kolbenring mit erhöhter Widerstandsfähigkeit
gegenüber Verschleiss an seiner äusseren radialen Oberfläche vorgesehen, um die
tatsächliche Lebensdauer des Rings über das Mass hinaus zu steigern, dass normalerweise
durch die Anwendung von Chròmplattierungen erreicht wird. Nach der Erfindung ist
auiserdem eine verschleissfeste radiale Innenfläche vorgesehen,
um
eine günstige Ringspannung aufrechtzuerhalten und um die Beweglichkeit des Ringes
bzw. der Ringschiene längs des Ringumfangs während der gesamten Lebensdauer des
Ringes zu gewährleisten. Die-Be beiden Faktoren wirken derart zusammen, dass ein
Kolbenring mit einer erheblich längeren möglichen Betriebsdauer geschaffen wird,
wobei die Punktion des Ringes voll erhalten bleibt.
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Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Kolbenring einer Wart, auf die
die Erfindung anwendbar ist; Fig. 2 ist eine vergrösserte Seitenansicht eines Ringes
im Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1 zur Darstellung der bei dem Ring angewendeten
Erfindung; Pig. 3 eine Teildraufsicht auf einen zusammengebauten Ölring; Fig. 4
dient zur Darstellung des Verschleisses an Ringschienen von Ölringen herkömmlicher
Art; Fig. 5 eine Darstellung eines Ölringes im Schnitt entlang der Linie V-V von
Fig. 3; Fig. 6 eine Teilansicht eines Querschnitts einer herkömmlichen Ringschiene
zur Darstellung der Verschleissergebnisse an der radialen Aussenfläche der Ringschiene;
und Fig. 7 ist eine vergrösserte teilweise DrauSsicht auf eine Ringschiene eines
Kolbenrings im Eingriff mit einem Anschlag eines Spannringes.
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Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine geteilte Ringschiene des Typs,
der normalerweize in Ölringen von Kolbenverbrennnngsmaschinen benutzt wird. Diese
Ringschienen bestehen gewöhnlich aus dünnem, federnd, elastischem Federstahl. Da
sie verhältnismässig hart sind, weisen sie keine ausreichende Widerstandsfähigkeit
gegenauer Verschleiss auf, um einer längeren Betriebsdauer ohne erhebliche Wirkungsgradverluste
als Ergebnis des Verschleisses auszuhalten.
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Fig. 4 zeigt eine Ringschiene mit einer verschleissfesten Schicht
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aus hartem Chrom, die auf die radiale Aussenschicht der Ringschiene aufgebracht
ist. Diese Massnahme entspricht der herkömmlichen Praxis und wird normalerweise
durch Plattieren vollzogen.
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Die Chromschicht 11 an herkömmlichen Ringschienen weist gewöhnlich
ein grösste Dicke von 0,254 mm auf. In der Praxis kann bei Anwendung der vorliegenden
Erfindung diese Dicke auf 0,0508-0,127 am herabgesetzt werden.
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Unterhalb der Chromschicht ii befindet sich ein Bereich, der mit dem
Bezugszeichen 12 bezeichnet ist und in dem der Ringßchienenkörper bis zu einer Tiefe
von vorzugsweise 0,254-1,27 mm durch Anwendung irgendeines geeigneten Verfahrens,
beispielsweise durch InduktionshCrtung, gehärtet ist. In diesem Bereich wird die
Härte der Ringschiene, wenn ein anderer Eisenwerkstoff als Gusseisen verwendet wird,
bis auf eine Härte von etwa 60-70 Rockwell C erhöht. Wenn Gusseisen verwendet wird,
ergibt sich ein Härteanstieg auf 40-50 Rockwell C. Für diesen Zweck kann auch das
Verfahren des kl härtens mit Härteergebnissen endet werden, die ungefähr denen gleichen,
die durch Induktionshärtung erzielt werden.
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Eine Oberflächenhärtung kann auch durch Nitrieren erreicht werden.
Allerdings ist diese Massnahme in einer Großserienproduktion dieser Ringschienen
nicht zweckmässig, da das Verfahren nicht für kontinuierliche und automatische Produktionsverfahren
geeignet ist. Dennoch wurde darauf Bezug genommen, und zwar mehr um auf die Oberflächeneigenschaften
als auf die Verfahren hinzuweisen, durch die die Eigenschaften erreicht werden können.
Weniger die Härteverfahren als die dadurch erreichbaren Oberflächeueigenschaften
sind von Befeutung für die Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass der gehärtete
Bereich auf den verjüngten, beinahe keilförmig ausgebildeten äusseren Oberflächenteil
der Ringschiene beschränkt ist.
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Die radiale Innenfläche des Ringes ist ebenso mit einer Schicht aus
hartem Chrom 13 versehen. Diese Schicht kann etwas dünner sein als die Schicht an
der radialen Aussenfläche, da die Grösse des Verschleisses, die schwerwiegende Folgen
für die Funktion des Ringes haben kann, nicht so kritisch ist, wie bei der radialen
Aussenfläche0 Daher kann die Dicke der Chromschicht 13 im Bereich von 0,0025 mm-0,076
mm liegen und für praktische Zwecke 0,0127-0,0508 mm betragen.
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Es ist ausserdem möglich, einen Bereich 14 mit vergrösserter Härte
in dem Körper der Ringschiene unmittelbar neben der Chromschicht 13 vorzusehen.
Wenn man zu dieser Massnahme greift, kann die Dicke der Chromschicht auf 0,025 mm
beschränkt werden, ohne das eine Zerstörung des Ringes zu befürchten ist. Der gehärtete
Bereich 14 weist ähnliche Ergebnisse im Hinblick auf Tiefe und die Härte sowie auf
die einsetzbaren Verfahren auf, um gleiche Ergebnisse wie bei dem Bereich 12 nahe
der radialen Aussenfläche der Ringschiene zu erreichen.
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Es ist wichtig, dass das Härten auf die begrenzten Bereiche 12 und
14 wie in Fig. 2 angedeutet, beschränkt ist. Wenn das Härten auf grössere Bereiche
innerhalb des Ringschienenkörpers ausgedehnt wird, wird die Schiene zu spröde im
Hinblick auf die an sie gestellten Anforderungen. Wenn die Ringschiene zu spröde
ist, ermüdet sie zu leicht nach den in der Praxis festgestellten Ergebnissen, und
im Ergebnis zerbricht die Ringschiene und bildet damit den Anfang der Zerstörung
des Kolbenringes. Die Grenze, bis zu der Ringschienen ohne Erweichen einer zu grossen
Sprödigkeit gehärtet werden können, liegt jedoch beträchtlich unter dem Mass, bei
dem die Ringschiene ihre besten Eigenschaften im Hinblick auf Verschleissfestigkeit
aufweist. Wenn man sich darauf beschränkt, lediglich die Bereiche zu härten, an
denen besonders starker Verschleiss auftritt, kann der Ringschienenkörper einen
günstigen Härtegrad aufweisen, um Bruchbeanspruchungen auszuhalten, während die
Bereiche mit starkem Verschleiss Härteigenschaften aufweisen, mit denen ein Höchstmass
an Verschleissfestigkeit erreicht wird.
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Die Erfindung schafft auch eine Lösung für andere Probleme, die von
wachsender Bedeutung für Ingenieure der Kraftfahrzeugtechnik sind. Kraftfahrzeugmotoren
werden heute über längere Gesamtfahrstrecken eingesetzt, und sind während des Betriebes
unvermindert höheren Geschwindigkeiten und Temperaturen ausgesetzt. Es wird auch
ein grösserer Wirkungsgrad bei Motoren erwartet. Infolge der verlangten Eigenschaften
und Zusammensetzung der Auspuffgase von Verbrennungskraftmaschinen ist die Stufe,
bei der Kolbenringe eine zufriedenstellende Arbeitsleistung bringen sollen, beträchtlich
angehoben worden. Eine Betriebsstufe, die vor wenigen Jahren noch als zufriedenstellend
angesehen wurde, wird nicht mehr länger hingenommen und ist in manchen Bereichen
heutzutage als VerstoSs
gegen Gesetze zu betrachten. Es ist daher
nicht nur erforderlich, die Lebensdauer der Kolbenringe mit unverminderter Punktionstätigkeit
zu steigern, sondern es ist auch notwendig, den Wirkungsgrad der Kolbenringe auf
einer wesentlich höheren Stufe während seiner gesamten Lebensdauer zu erhalten.
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Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele erreicht. Zunächst
stellt der gehärtete Bereich 12 eine als Ersatz dienende verschleissfeste Oberfläche
da, die die Lebensdauer der Ringschiene erheblich erhöht zu einer Zeit, in der die
Chromschicht 11 infolge des Verschleisses bereits nicht mehr vorhanden ist.
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Bei herkömmlichen chromplattierten Ringschienen schreitet der Verschleiss,
wenn die Chromschicht an der äusseren Oberfläche der Ringschiene dem Verschleiss
zum Opfer gefallen ist, wie mit strichpunktierten Linien und dem Bezugszeichen 20
in Big. 6 angedeutet ist, schnell voran, weil der Ringsehienenkörper zu weich ist,
um dem Verschleiss zu widerstehen und lediglich zwei dünne und schmale Chromschichten
21 und 21a als Widerstand gegen den Verschleiss übrigbleiben. Bei diesen Verhältnissen
verringert sich die radiale Weite der Ringschiene schnell. Dadurch wird ein Abfall
der radialen Spannung verursacht, ausserdem nimmt die Kraft ab, die die Ringschiene
m dichtender Verbindung mit der Zylinderwandung hält. Da der Betrag an radialer
wirksamer Spannung auf einen Bereich sehr kleiner Werte beschränkt wird, führt der
Verschleiss zu einem raschen Absinken des W+kungsgrades des betreffenden Kolbenrings.
Der Verschleiss ist/sweifacher Hinsicht von Bedeutung für einen Verlust radialer
Spannung. Der Verlust ergibt sich sowohl aus der Abnahme der effektiven radialen
Weite des Ringschienenkörpers als auch aus der Tatsache, dass sich die innere Oberfläche
der Ringschiene nach aussen verschiebt, wobei die Wirkung des Abstandsringes vermindert
wird, der dazu dient, eine radiale Kraft auf die Ringschiene auszuüben. Dadurch,
dass man die Abnahme der radialen Spannung bzw. der radialen Kräfte verhindert,
wird die Lebensdauer der Ringschienen erhöht, und der Wirkungsgrad der Ringschiene
bleibt während der Lebensdauer auf einem höheren Wert.
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Während der Verschleiss an der radialen Aussenfläche der Ringschiene
erheblich grösser ist als der an der radialen Innenfläche, hat der Verschleiss an
der radialen Innenfläche dennoch
eine we3entliche Bedeutung für
den Wirkungsgrad des Ringes. Dadurch, dass man die Lebensdauer der radialen Aussenfläche
des Ringes gesteigert hat, wurde dieser Einfluss deutlich. An der Stelle, an der
die radialen Innenflächen 50 der Ringschiene 51 die Anschläge 52 des Spamiringes
53 (vergl. Fig. 3. 4 + 5) berühren, tritt ein erheblicher Verschleiss auf, der durch
die Taschen 54 angedeutet ist, die infolge des Verschleisses in die Innenfläche
(Fig. 4) eingearbeitet sind.
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Die eigentliche Ursache dieses Verschleisses ist in Fig. 7 dargestellt.
Hieraus wird deutlich, dass die Anschläge 52 gewöhnlich gradlinig verlaufen, während
die radiale Innenfläche 50 der Ringschiene 51 genau genommen im Bogen verläuft.
Hierdurch kommt es nur zu einer Lagerung an zwei Stellen, nämlich an den schaffen
seitlichen Ecken 58 jedes Anschlags. Die Anschläge neigen dazu, sich infolge der
Reibung in die Oberfläche der Ring schiene einzuarbeiten.
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Während die Ringschienen bei ihrer ursprünglichen Montage eine wirksame
radiale Weite aufweisen, die/st punktierte Linien 55 in Fig. 4 angedeutet ist, vermindert
der Verschleiss die Weite auf den mit ununterbrochenen Linien dargestellten Betrag.
Da bekanntlich die Federungseigenschaft der Ringschienen 5; und der Spannringe 53
die Ringschienen nach aussen gegen die Zylinderwandung drtickt, wird der radiale
Dichtdruck, der die dichtende Verbindung mit der Zylinderwandung herstellt, stark
vermindert, da beide, nämlich die Ringsehienen und der Spannring dadurch an Spannung
verlieren.
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Noch wichtiger als die Abnahme der radialen Spannung ist die Tatsache,
dass der an bestimmten Stellen auftretende Verschleiss zu den Taschen 54 führt.
Wenn derartige Taschen gebildet werden, wird die Beweglichkeit der Ringschienen
in Umfangsrichtung gegenüber dem Spannring 53 beschränkt und schliesslich ganz aufgehoben.
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Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad von Kolbenringen zu einem bedeutenden
Teil auf der Beweglichkeit der Ringe in Umfangsrichtung beruht.
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Dadurch, dass die Chromschicht 13 an der Innenfläche vorgesehen wird,
wird dieses Problem überwunden. Es wird dadurch jeder bemerkenswerte
Verschleiss
an dieser Stelle vermieden. Einer anderen Möglichkeit entsprechend kann ein Bereich
14 von grösserer Härte anstelle der Chromschicht verwendet werden. Diese Maßnahme
führt nicht zu dem gleich hohen Betrag an Verschleissfestigkeit wie die Chrombeschichtung,
dennoch wird der sonst auftretende Verschleiss erheblich vermindert. Wo die Betriebsbedingungen
besondere Anforderungen stellen und eine grössere Lebensdauer erwünscht ist, können
sowohl eine Ohronischicht 13 als auch ein Bereich 14 grösserer Härte verwendet werden.
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Die Erfindung hat noch weitere Vorteile. Die Verschleissfestigkeit
ist grösser, wenn Metalle verschiedener Härte in Berührung stehen. Wenn die Härte
der radialen Innenfläche der Ringschiene vergrössert wird, wird sowohl der Verschleiss
an der Ringschiene selbst als auch an den Anschlägen vermindert. Der Einsatz von
Chrom hat den weiteren Vcnteil, dass eine Oberfläche geschaffen wird, die viel leichter
auf der Oberfläche der Anschläge entlang gleitet als bisher. Dadurch wird nicht
nur der bisher auftretende Verschleiss vermieden, sondern auch die Beweglichkeit
der Ringschienen in Umfangsrichtung wird vergrössert.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die Fertigungskosten von Kolbenringen
gesenkt, weil die Kosten des Ohromplattierens grundsätzlich proportional zur Dicke
der Chromschicht sind, während das Härten durch Induktionshärtung sowohl verhältnismässig
wenig Kosten verursacht, als auch für eine kontinuierliche Großserienfertigung mit
hoher Geschwindigkeit geeignet ist. Wenn die Erfindwng auf die radiale Aussenfläche
Anwendung findet, wird der Chrombedarf bzw. die erforderliche Dicke der Chromschicht
um 50 % und mehr vermindert. Das tatsächliche Ergebnis drückt sich in einer beträchtlichen
Kostensenkung aus. Durch diese Kostensenkung ist es möglich, sowohl die Innenfläche
als auch die Aussenfläche der Ringschienen Chrom zu plattieren, und zwar annähernd
zu den gleichen Kosten, die sich bei der herkömmlichen Art des Chromplattiers von
Ringschienen ergeben. Im Endergebnis können Ringschienen hergestellt werden, die
erheblich bessere Eigenschaften als bisher üblich aufweisen.
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Das gleiche Verfahren kann angewendet und die gleichen Vorteile können
erzielt werden, wenn die vorliegende Erfindung auf Kolbenringe
aus
Gusseisen angewendet wird, sofern diese in die Nuten für Kompressions- und Mittelringe
eingesetzt werden sollen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei Fehlen eines Spannringes
die Notwendigkeit bzw. Zweckmässigkeit zum Härten oder Plattieren der radialen Innenfläche
derartiger Ringe entfällt. Es kann äedoch eine erhebliche Verbesserung der Betriebseigenschaften
und der Betriebsdauer durch Härten der Bereiche der unteren aussen und oberen Innenkanten
von sich entgegengesetzt drehenden Ringen desjenigen Typs erreicht werden, der in
dem US-Patent Nr. 2 798 779 beschrieben ist.
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Vorstehend wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung
beschrieben. Selbstverständlich sind Abwandlungen der Erfindung bei Anwendung in
anderen Bereichen möglich.
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-Patentansprüche-