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Ölabstreif-Kolbenring und Verfahren zur Herstellung Die Erfindung
betrifft einen Ölab streif-Kolbenring, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit
mehreren am Ringumfang mit Abstand voneinander verlaufenden radialen Durchbrechungen
in Form von Bohrungen, Schlitzen od. dgl. sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher
Kolbenringe.
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Für die Abdichtung von Kolben in Zylindern von Brennkraftmaschinen
werden u. a. Kolbenringe verwendet, deren Hauptaufgabe darin besteht, beim Abwärtsgang
des Kolbens das hochgeschleuderte Schmieröl von der Zylinderwandung bis auf einen
verbleibenden dünnen Ölfilm abzustreifen, um dessen Verbrennung zu verhindern. Die
für diesen Zweck vielfach bekannten Ölabstreif-Kolbenringe bestehen aus einem Grundkörper
aus Gußeisen, dessen äußere Lauffläche durch mindestens eine umlaufende Nut in zwei
Abstreifstege unterteilt ist. Für die Abführung des von der Zylinderwand abgestreiften
und in der Ringnut sich sammelnden Öles dienen radiale Durchbrechungen, die sich
vom Nutgrund bis zum Ringrücken erstrecken. Solche Durchbrechungen sind Bohrungen
oder mittels Scheibenfräser eingearbeitete Schlitze, die sich in Umfangs richtung
erstrecken, Um eine schnelle Abführung des Öles in das Kolbeninnere zu gewährleisten
sind meist mehrere solcher Durchbrechungen am Ringumfang mit Abstand voneinander
verteilt angeordnet.
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Die infolge der Durchbrechungen geschwächten Kolbenringquerschnitte
weisen ein wesentlich geringere 5 Flächenträgheitsmoment auf als die Normalquerschnitte
im Umfangsbereich der zwischen je zwei Durchbrechungen verbleibenden Materialstege.
Betrachtet man den Biegespannungsverlauf solcher Kolbenringe in Umfangsrichtung
als Äquivalent zum an der Zylinderwand wirksam werdenden Anpreßdruck des Ringes,
so sind abgesehen von einer dem Ring durch seine Gesamtform auferlegten Grund-Spannungskontur,
z.B. bei sogenannten Zweitakt- oder Viertaktringen, zusätzliche sprunghafte Änderungen
im Spannungsverlauf zu erkennen. Lage und Größe der sprunghaften Spannungsänderungen
sind dabei vom jeweiligen Trågheitsmoment des korrespondierenden Kolbenringquerschnittes
abhängig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ölabstreif-Kolbenring
zu schaffen, der allein mit Eigenspannung oder durch Anordnung eines zusätzlichen
Stützfederringes im Kolbenringrücken mit Fremdspannung an der Zylinderwand anliegt,
wobei die Summenradialkraft aus jedem einzelnen auf Biegung beanspruchten Ringquerschnitt
und gegebenenfalls der jeweiligen Federradialkraft über den gesamten Ringumfang
eine gleichbleibende oder sich gleichmäßig verändernde Spannung ergibt.
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Dieser'Forderung wird erfindungsgemäß dadurch nachgekommen, daß außer
den bereits vorhandenen Durchbrechungen am Kolbenring zusätzliche partielle Querschnitt
sverringerungen vorgesehen sind, deren Lage und/oder Form einen Kolbenring mit gleichbleibendem
oder sich gleichmäßig veränderndem Biegewiderstand ergeben.
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Durch die zusätzliche gezielte Querschnittsverminderung der nicht
mit Ölabflußdurchbrechungen versehenen Umfangsbereiche erhält man einen Kolbenring,
dessen Umfangsquerschnitte etwa gleich große
polare Flächenträgheitsmomente
aufweisen. Die Größe des polaren Flächenträgheitsmomente s eines Kolbenringquer
schnittes ist ein Maß für den Biegewiderstand, den der Kolbenring im Bereich des
betrachteten Querschnittes aufbringt. Die in allen Umfangsbereichen gleichen, bei
sogenannten Zwei- oder Viertaktkolbenringen gleichmäßig sich verändernden Biegewiderstände
der Kolb enringquerschnitte gewährleisten einen ebenfalls gleichen oder gleichmäßig
sich verändernden Spannungsverlauf in Umfangsrichtung des Kolbenringes und damit
ein optimales Abstreif- und Dichtvermögen bei geringstem Verschleiß der Lauffläche.
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Eine der Erfindung sehr nahe kommende, einfach herzustellende Kolbenring-Ausführung
erhält man, wenn die radiale Höhe der zwischen den Ölabfluß -Durchb rechungen sich
erstreckenden Materialstege auf ein Minimum reduziert ist . Da den Materialstegen
lediglich die Funktion des Abstandhaltens zwischen den beiden neben den radialen
Durchbrechungen sich in Umfangs richtung erstreckenden, die Laufflächen tragenden
Kolbenringhälften obliegt, ist es durchaus möglich, die radiale Höhe der Materialstege
bis auf einen geringen verbleibenden Anteil abzutragen. Die dann noch verbleibenden
Unterschiede der Flächenträgheitsmomente der Ringque r schnitte im Bereich der Durchbrechungen
gegenüber solchen im Bereich der reduzierten Materialstege sind als vernachlässigbar
klein anzusehen.
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Der verbleibende geringe Einfluß der reduzierten Materialstege auf
den Biege spannung sverlauf des Kolbenringes kann praktisch völlig ausgeschaltet
werden, wenn die verbleibenden Materialstege im Bereich der neutralen Biegezone
des Kolbenringquerschnittes liegen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung von Ölab streif- Kolbenringen mit Olabfluß-Durchbrechungen in Form
von in Umfangsrichtung sich erstreckenden, mittels eines
Scheibenfrä
sers eingearbeiteten Schlitzen. Gemäß der Erfindung wird während des Schwenkens
des Scheibenfräsers von einer Schlitzfrässtellung zur nächstfolgenden Schlitzfrässtellung
die radiale Höhe der Materialstege gleichzeitig abgetragen. Während man bisher den
Scheibenfräser nach Beendigung eines Fräsvorganges vollends aus dem Kolbenring herausfuhr,
den Ring um den jeweiligen Teilungswinkel in Umfangs richtung verdrehte, um danach
einen neuen Fräsvorgang einzuleiten, lassen sich nunmehr durch nur geringes Zurückstellen
des Fräsers beim Schwenken des Kolbenringes von einer Schlitzfrässtellung zur nächstfolgenden
gleichzeitig die Materialstege bis auf ein Minimum ihrer bisherigen Höhe abtragen.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens läßt sich bei gleichbleibender Arbeitszeit
eine zusätzliche Bearbeitung des Kolbenringes bei gleichbleibendem Arbeitsaufwand
durchführen.
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Vielfach werden Ölabstreif- Kolbenringe mit einer besonders hohen
Radialspannung benötigt, die vom Guß ring allein nicht aufgebracht werden kann.
In solchen Fällen sind zwischen Kolbenringrücken und Nutgrund des Kolbens zusätzliche
Stützfedern vorgesehen. Die gegenüber der Zylinderwand wirksam werdende Radialspannung
ergibt sich folglich als Summe aus der Eigenspannung des Kolbenringes und der Federspannung.
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Bei derartigen Ölabstreif-Kolbenringanordnungen läßt sich erfindungsgemäß
ein Ausgleich der in Umfangsrichtung sich sprunghaft verändernden Spannungsverhältnisse
des selbstfedernden Kolbenringes dadurch erzielen, daß die in den Umfangsbereichen
der zwischen den radialen Durchbrechungen verbliebenen Materialstege am Ring rücken
anliegenden Stützfedern bzw. Stlitzfederbereiche eine geringere Radialkraft aufweisen
als die im Bereich der durchbrochenen Kolbenringsegmente wirksam werdenden Stützfedern
bzw. Stützfederbereiche.
Durch entsprechende Abstimmung der an verschiedenen
Umfangsstellen unterschiedlichen Einzel radialkräfte erhält man die gewünschte gleichbleibende
bzw. sich gleichmäßig ändernde Summen radialkraft bzw. - spannung Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Ölab streif-Kolbenring
Fig. 2 und 3 je einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ölabstreif-Kolbenring
Fig. 4 bis 6 je einen Querschnitt verschiedener Ausführungsvarianten erfindungsgemäßer
Ölabstreif-Kolbenringe Fig. 7 einen Umfangsteil eines Ölabstreif-Kolbenringes mit
Stützfeder Fig. 8 ein schematisiertes Spannungsdiagramm In Fig. list der Normalquerschnitt
durch einen herkömmlichen tSlabstreif-Kolbenring 1 dargestellt. Eine umlaufende
Nut 2 unterteilt die äußere Lauffläche des Kolbenringes 1 in zwei Laufflächenstege
3 und 4. Vom Nutgrund 5 bis zum Ringrücken 6 erstrecken sich mehrere, mit Abstand
auf dem gesamten Ringumfang verteilte Durchbrechungen in Form von Schlitzen 7, die
mittels eines Scheibenfräsers in den Kolbenring 1 eingearbeitet sind.
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Fig. 2 zeigt einen Teil eines Längsschnittes durch einen erfindungsgemäßen
Kolbenring lo. Die zwischen je zwei Schlitzen 11 verbliebenen Materialstege 12 sind
gegenüber ihrer ursprünglichen radialen Höhe 13 um den Betrag 14 reduziert, wodurch
der auf den Kolbenringquerschnitt
bezogene Biegewiderstand im Umfangsbereich
15 stark herabgesetzt und dem Biegewiderstand im Umfangsbereich 16 angenähert ist.
Dadurch ist eine etwa gleichmäßige Spannungsverteilung am Kolbenringumfang gewährleistet,
Aus Fig. 2 ist gleichzeitig das Herstellungsverfahren solcher Kolbenringe ersichtlich.
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Der Scheibenfräser 17, mit welchem die Schlitze 11 in den Kolbenring
lo eingearbeitet werden, dient beim Schwenken von der einen zur nächstfolgenden
Schlitzfrässtellung gleichzeitig zum Verringern des Materialstegquerschnittes 12.
Die Pfeile 18, 19 und 20 geben die Bewegungsrichtung des Kolbenringes lo und des
Scheibenfräsers 17 an.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Längsschnitt handelt es sich um einen
Ölabstreif-Kolbenring 21, dessen Materialstege 22 zwischen den Schlitzen 23 am Innenumfang
des Ringes abgetragen sind, so daß die verbliebenen Materialstege 22 etwa im Bereich
der neutralen Biegelinie 24 des Normalquerschnittes liegen.
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Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Varianten von Kolbenringen
25, 26, 27, die außer den ohnehin vorhandenen Schlitzen 28, 29 bzw.
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Bohrungen 30 weitere erfindungsgemäße Querschnittsverringerungen 31,
32,33 aufweisen. Bei dem Kolbenring 25 nach Fig. 4 ist der zwischen den Schlitzen
28 sich erstreckende Kolbenring- Umfangsbereich durch eine radiale Ausnehmung 31
geschwächt. Der Kolbenring 26 nach Fig. 5 weist Ausnehmungen 32 auf, die in beiden
Ringilankenflächen 34, 35 (letztere ist nicht sichtbar) verlaufen und in Form und
Größe den Ölabflußbohrungen 30 gleich sind, nur gegenüber diesen in Umfangs richtung
versetzt angeordnet sind. Ähnlich ist der Ölabstreif-Kolbenring 27 nach Fig. 6 ausgebildet.
Durch die zusätzlichen, gleichfalls als Ölabflußöffnungen dienenden Schlitze 33,
die gegenüber den ohnehin vorhandenen Schlitzen 29 versetzt und überlappend angeordnet
sind, erhält man einen Kolbenring mit an allen Umfangs stellen flä chengleichen
und damit spannung sgleichen Querschnitten.
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Die Teilansicht einer Ölabstreif-Kolbenringanordnung nach Fig. 7 zeigt
einen herkömmlichen Ölabstreif-Kolbenring 36 mit Schlitzen 37 und Materialstegen
38. Am Ringrücken 39 greift eine als Stützfeder dienende Wellfeder 40 an, die unterschiedliche
Wellungen 41, 42 aufweist und damit örtlich unterschiedliche Radialkräfte aufweist.
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Schließlich ist in Fig. 8 schematisiert der Radialspannungsverlauf
einer Ölabstreif-Kolbenringanordnung mit über den gesamten Ringumfang konstanter
Anpressung dargestellt. Die Kurve a gibt die Eigenspannung des geschlitzten Kolbenringes
an. Die sprunghaften Spannungsänderungen resultieren aus den unterschiedlich großen
Trägheitsmomenten der ungleich großen Querschnittsflächen von geschlitzten und nicht
geschlitzten Kolb enringumfangsbereichen.
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Die Federspannungelinie b weist rf entsprechend umgekehrte Kontur
auf, so daß sich eine kotstant verlaufende Summenradialspannung c ergibt.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf solche Ölabstreif-Kolbenringe,
die keine zusätzlichen Querschnittsverringerungen sondern als Äquivalentlösung an
den entgegengesetzten Stellen entsprechende Que r s chnitt sver stärkungen aufweisen.