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K olbenring filr Kolben von Verbrennungskraftmaschinen Die Erfindung
betrifft einen Kolbenring für Kolben von Verbrennungskraftmaschinen aus einem Eisenwerkstoff,
dessen Lauffläche mit einer den Verschleiß herabsetzenden Schicrlt überzogen und
dessen kolbenkronenseitige Laufflächenkante verrtmdet oder angefast ist.
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Bekanntlich ist es die Aufgabe der Kolbenringe eines Kolbens, den
Verbrennungsraum gegen den Kurbelgetrieberaum abzudi chten, die Wärmeleitung vom
Kolben zur Zylinderwand zu unterstützen und den Ölhaushalt der Verbrennungskreftmaschine
zu regeln.
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Das setzt voraus, daß die Kolbenringe mit ihrem Umfang dicht an der
Zylinderwand und mit einer Flanke an der Kolbennutenflanke anliegen.
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Die Bedingungen, unter denen die Kolbenringe arbeiten, sind sehr ungünstig.
Verursacht durch die Massen- und Gaskräfte vollführen die Kolbeliringe achsiale
Bewegungen. Im Betrieb nehmen Kolben und Zylinder infolge schwariender Last und
dementsprechend wechselndem Wärmeanfall laufend neue Durchmesrer an. Darüberhinaus
haben Zylinderbüchsen, selbst von wassergekühlten Verbrennungskraftmaschinen, im
Betrieb einen konischen Innenverlauf. Beide Arten von Durchmesserveränderungen müssen
vom Kolbenring, der sich radial zusammenziebt und wieder aufgeht, ausgeglichen worden.
Zusätzlich erglbt sich durch das "Kolbenkippen" beim Gleitbahnwechsel eine Schrägstellung
der
Kolbenlängsachse gegenüber der Zylinderachse.
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Die Laufflächen der Kolbenringe liegen dabei SO g an der Zylinderachse
an.
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durch dieses Betriebsverhalten unterlicgen die Kolbenringe einem mehr
oder weniger großen Verschleiß Der größte Ver schleIß entsteht im allgemeinen am
kolbenkronenseitigen Kolbenring im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens.
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Dieses ist begründet durch die schlechten Laufbedingungen des Kolbenrings
in dieses Bereich, in dem im allgemeinen Mischreibung herrscht, durch die zusätzliche
Anpressung, die der Kolbenring durch den hinter ihn tretenden Gasdruck erfährt und
durch die Wärmeeirflüsse sowie durch die Korrosion infolge der Verbrennungsrückstände.
Um den Verschleiß von Kolbenringen und Zylinderlaufbahn zu vermindern, wird im allgemeinen
nur die Lauffläche des kolbenkronenseitigen Kolbenringes mit einer verschleißfesten
Werkstoffschicht, z.B. Chrom, überzogen. Erfahrungsgemäß reduziert der auf der Lauffläche
beschichtete Kolbenring den Verschleiß der Zylinderlaufbahn auf ca. 50 O/o und den
aller Kolbenringe eines Kolbens aut ca. 30 °NO der Werte mit unverchromten Kolbenringen
(Denfeld, J.: "Hartverchromte Kolbenringe", Fachzeitschrift Nr. 18 und 21, "Der
Kolbenring" der Goetze-Werke AG, Burscheid).
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Auf der anderen Seite wird durch die Chromschicht das gegen seitige
Einlaufen von Kolbenring und Zylinderlaufbahn erschwert. Deshalb erhalten bisweilen
verchromte Ringe einen zusätzlichen Überzug, der die Anpassung an die Zylinderlaufbalm
erleichtert; oder die Chromschicht wird ersetzt durch zwar weniger verschleißfeste,
dafür aber anpassungsfähigere Oberflächenschichten, wie z.B. Phosphat- bzw. sogenannte
Ferroxschichten. In beiden Fällen handelt es sich um Stoffe, die sowohl eine gewisse
Eigenschmierung ermöglichen als auch durch eine begrenzte Öisaugfähigkeit die Grenzreibung
mildern (Bensinger, W.-D. u. A. Meier: "Kolben, Pleuel und Kurbelwelle
von
schnellaufenden Verbrennungsmotoren, Berlin/Göttingen/ Heidelberg 1961, Seiten 30/31).
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Bekannt ist auch, die Lauffläche von Kolbenringen mit Molybdän zu
überziehen, insbesondere um die Brandfleckenbildung zu vermeiden, da Molybdän einen
hohen Schmelzpunkt und eine gute Wärmeleitfähigkeit hat (Perrow, A.: Future for
Moly Rings, Motor, März 1965).
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Für den Fall, daß die Lauffläche der Kolbenringe hartverchromt sind,
müssen Laufflächenkanten und Laufkanten am Stoß nach DIN 24 909 aus fertigungstechnischen
Gründen und um das Ausbrechen der Chromschicht im Bereich der Laufflächenkanten
und Laufkanten am Stoß zu vern.eidc-n, mit einem Radius von 0,2 bis 0,1 mm verrundet
oder angefast werden. Das ergibt einerseits zwar den Vorteil, daß kolbenkronenseitig
die Kolbenringe im Betrieb über den an der Zylinderwand anhaftenden Ölfilm hinweggleiten,
wodurch der Ölverbrauch gesenkt und die Schmierung der Laufflächen der Kolbenringe
verbessert werden; andererseits bewirken jedoch die kolbenschaftseitig verrundeten
oder angefasten Laufflächenkanten und Laufkanten am Stoß eine vergleichsweise nicht
unbedeutende Erhöhung der zwischen Zylinderwand und Kolben durchtretenden Verbrennungsgasmenge.
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Eine Untersuchung hat nun gezeigt, daß die Erhöhung der zwischen Kolben
und Zylinderwand durchtretenden Verbrennungsgasmenge fast ausschließlich durch die
im Bereich des Stoßes des Kolbenrings angebrachte Verrundung oder Anfasung der Laufflächenkanten
und der Laufkantei am Stoß verursacht wird.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, einen auf der Lauffläche
mit einem den Verschleiß herabsetzenden Überzug aus Chrom, Molybdän oder dergleichen
Werkstoff versehenen Kolbenring, dessen kolbenkronenseitige Laufflächenkanten verrundet
oder angefast ist, so zu gestalten, daß die zwischen Zylinderwand und Kolben durchtretende
Verbrennungsgasmenge
wenigstens nicht größer als bei einem Kolben
ist, dessen Kolbenring auf der Lauffläche keinen den Verschleiß herabsetzenden Überzug
aufweist.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens
die kolbenschaftseitige Laufflächenkante des Kolbenringes zumindest in den an den
Stoß grenzenden Bereichen scharfkantig ausgebildet und der übrige Teil in bekannter
Weise verrundet oder angefast ist.
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Die Länge der scharfkantigen Bereiche beträgt zweckiiiäßiger weise
jeweils 1 bis 40 mm, vorzugsweise 1 bis 20 mm, insbesondere 3 bis 10 min.
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Falis fertigungstechnisch erforderlich, kann die kolbenschaftseitige
Laufflächenkante des Kolbenringes auf ihrem ganzen Umfang scharfkantig ausgebildet
sein.
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Auch ist es sinnvoll, daß die Laufkanten am Stoß des Kolbenrings wenigstens
in ihrem an die kolbenschaft'seiti.ge Laufflächenkante grenzenden Bereich scharfkantig
ausgebildet und der übrige Teil n bekannter Weise verrundet oder angefast ist.
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Der scharfkantige Bereich der Laufkanten ist 1 bis 30 mm vorzugsweise
1 bis 20 mrn, insbesondere 2 bis 8 mm, lang.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, die Laufkante am Stoß des
Kolbenringes auf ihrer ganzen Länge scharfkantig auszubilden.
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In vorteilhafter Weise bestehen die scharfkantigen Bereiche der kolbenschaftseitigen
Laufflächenkante und der Laufkanten am Stoß aus einem Werkstoff, der von dem auf
der Lauffläche
des Kolbenringes aufgebrachten Überzugswerkstoff
abweicht und durch Kleben, Schweißen oder Löten aufgebracht wird.
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Dieser Werkstoff braucht keinen besonderen Verschleißwiderstand zu
bsitzen, jedoch sollte seine Temperaturbeständigkeit der thermischen Beanspruchung
des Kolbenringwerkstoffes entsprechen. Auch muß gewährleistet sein, daß der Werkstoff
beim Kontakt mit den Ringträgerflanken und der Zylinderwand nicht zum Frassen kommt.
Zu diesem Zweck hat sich die Verwendung eines Hartlotes als besonders geeignet erwiesen.
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In manchen Fällen, insbesondere dann, wenn der Kolbenring aus einem
Eisenwerkstoff mit relativ guten Gleiteigenschaften besteht, reicht es aus wenn
die scharfkantigen Bereiche der kolbenschaftseitigen Laufflächenkante und der Laufkanten
am Stoß aus dem in diesen Bereichen entsprechend vorgezogenen Kolbenringwerkstoff
bestehen.
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Grundsätzlich wird an der kolbenschaftsei tigen Laufilächenkante aufgrund
der besseren Schmierölversorgung in Bezug auf die Gleiteigenschaften keine so große
Anforderung gestellt wie an die kolbenkronenseitige Laufflächenkante, auf die die
Verbrennungsgase unmittelbar einwirken.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und
wird Im folgenden näher erläutert: In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen aus
grauen Gußeisen bestehenden doppelseitigen Trapezring 1 dargestellt, dessen Laufflache
mit einem 0.08 min dicken, galvanisch aufgebrachten, nach außen balligen Chromüberzug
2 versehen ist. Die kolbenschaftseitige Laufflächenkante 3 des Kolbenringes 1 ist
mit einem R-Ldius von 3a:3 mm verrundet und durch Auftragen eines aus Hartlot bestehenden
Überzugs 4 scharfkantig ausgebildet.
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Die Fig. 2 zeigt eine Stoßfläche eines aus Grauguß mit
lamellaren
Graphiteinlagerungen bestehenden Rechteckringes 5 mit einem auf dessen Lauffläche
gelvanisch aufgebrachten 0,1 mm dicken Molybdänüberzug 6. Die kolbenkronenseitige
Laufflächenkante 7 ist mit einem Radius von 0,2 mm verrundet, während die kolbenschaftseitige
Laufflächenkante 8 über ihren ganzen Umfang scharfkantig durch entsprechendes Vorziehen
des Kolbenringwerkstoffes ausgebildet ist.
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Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der Lauffläche eines aus Grauguß
bestehenden Kolbenringes 9 im Bereich des Stoßes.
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Die kolbenschaftseitige Laufflächenkante 10 ist in den an den Stoß
angrenzenden Bereichen auf eine Länge von 6 mm und die Laufkante 11 am Stoß in dem
an die kolbenschaftseitige Laufflächenkante angrenzenden Bereich auf eine Länge
von 3 mm scharfkantig durch Vorziehen ausgebildet. Der ubrige Teil der
| des i;cL LL~?E GtoFfe v |
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| Kaiite: 12. ist mit ()54 n1fli |
angefast. Die Lauffläche selbst ist hartverchromt.
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In FiCo 4 is-t ein Horizon-talschritt durch einen aus Grauguß bestehenden
Kolbenring 13 im Bereich des Stoßes dargestellt.
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Die mit Chrom überzogene Lauffläche 14 ist an den Laufkanten 15 am
Stoß durch entsprechendes Vorziehen des Kolbenringwerkstoffes scharfkantig ausgebildet.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen darin daß die zwischen Zylinderwand
und Kolben durchtretende Verbrennungsgasmenge vergleichsweise erheblich gesenkt
und die Bildung von Brandflecken auf dem Kolbenring verhindert wird. Die Herstellung
des erfindungsgemäß gestalteten Kolbenringes ist in einfacher Weise durchführbar.
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Patentansprüche