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K o 1 b en r i n g Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring
aus Metall oder. Kunststoff.
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Kolbenringe dienen zum einen der Abdichtung von Kammervolumina unterschiedlichen
Druckniveaus gegeneinander mit vorwiegend einseitig wirkendem Überdruck; zum andederen
finden Kolbenringe - besonders bei Verbrennungskraftmaschinen - auch. als Ulabstreifringe
Verwendung, deren Aufgabe darin besteht, von der Zylinderwand das dorthin gespritzte
o1 bis auf einen sehr dünnen, über den Zylinderumfang möglichst gleichmäßig verteilten
Film abzustreifen.
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Um mit den Kolbenringen die erwünschten Wirkungen zufriedenstellend
erzielen zu können, müssen einige ganz spetielle Anforderungen erfüllt werden.
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So sollen Kolbenringe in der Regel längs ihres Umfanges möglichst
gleichmäßig an der Zylinderwand anliegen, um eine über den ganzen Umfang möglichst
gleichmäßig verteilte Anpreßkraft zu erzielen, wodurch sich wiederum optimales Verschleißverhalten
und günstige Reib- sowie Dichtungseigenschaften ergeben. Bei bisher bekannten Kolbenringkonstruktionen
löst man dies entweder durch Kombination des Kolbenringes mit Federringen, die vom
Nutboden der Kolbenringnut des Kolbens aus den Kolbenring radial nach außen drücken,
durch Verbund-Kolbenringe, bei denen federnde Metall- oder Blechkörper mit Kunststoffen
ausgegossen oder umgossen werden, durch Kolbenringe mit längs ihres Umfanges unterschiedlichen
Wanddicken oder durch Kolbenringe, die mittels geeigneter Innenprofilierungen die
notwendigen Federungseigenschaften für gleichmäßigen Anpreßdruck erhalten. Alle
diese Lösungsmöglichkeiten führen jedoch zu kompliziert gestalteten und aufwendigen
Kolbenringkonstruktionen.
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Als weiteres Erfordernis für Kolbenringe sind gute Gleiteigenschaften
zwischen Kolbenring und Zylinderwand zu nennen, wobei im besonderen den für den
späteren Betrieb und die Lebensdauer der Kolpenmaschine außerordentlich wichtigen
Reibvorgängen in der Einfahr- bzw. Einlaufzeit Beachtung geschenkt werden muß.
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Bei herkömmlichen Kolbenringkonstruktionen werden die geforderten
Gleiteigenschaften meist durch Aufbringen spezieller dünner Gleitschichten (meist
aus Chrom) auf die Reibfläche des Kolbenringes erzielt.
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Um die wichtigen Einlaufgleiteigenschaftèn zu erhalten, werden dabei
vielfach'noch zusätzliche Einlauf-Gleitschichten angebracht, die speziell in der
Einlaufzeit besonders günstige Gleiteigenschaften gewährleisten.
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Bei anderen Ringkonstruktionen findet man auch Graphitstaub im Gußwerkstoff,
um das gewü~nschte Gleitverhalten herbeizuführen.
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Auch das Einsetzen bestimmter Gleiteinlagen (z.B.
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Kunststoffe) in Ringnuten des Außenumfanges von Kolbenringen oder
örtlich unterschiedliche Härtebehandlungen sind zur Lösung des Gleitproblemes bekanntgeworden.
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Sieht man zunächst von den graphithaltigen Gußwerkstoffen ab, so muß
bei allen anderen Lösungsmöglichkeiten ein zusätzliches Gleitmaterial in die Reibfläche
des Ringes gebracht werden, was seinerseits aufwendig und nicht immer problemlos
ist (vgl. etwa Gefahr von Rißbildungen und Ablösungen in Chrom-Gleitschichten!).
Bei den graphitierten Gußringen ist dies zwar nicht der Fall, jedoch genügen ihre
Gleiteigenschaften auch nur geringeren Ansprüchen; will man bei ihnen etwa bestimmte
Einlauf-Gleiteigenschaften erzielen, so bedarf es dennoch einer Oberflächenbehandlung
(Aufbringen einer zusätzlichen Gleitschicht).
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Weiterhin sollen Kolbenringe möglichst leicht sein, um ihren Beitrag
an den oszillierenden Massenkräften vernachlässigbar gering zu halten. Dies pflegte
man durch Verbundkolbenringe mit Kunststoffeinlagen oder durch leichtere Metallegierungen
anzustreben.
Um alle diese Anforderungen an einen Kolbenring erfüllen
zu können, mußten bisher Kombinationen der oben aufgezeichneten Lösungswege angewendet
werden, die zu ziemlich kompliziert aufgebauten Kolbenringkonstruktionen führten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach
aufgebauten Kolbenring zu entwickeln, der gleichzeitig beste Gleiteigenschaften,
eringes Gewicht und ein Federungs- bzw.
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Anpreßverhalten an die Zylinderwand aufweist, das dem jeweils vorgesehenen
Einsatzzweck angepaßt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß.
in das Metall oder den Kunststoff Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstoffasern
eingelegt sind.
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Solche Verbundwerkstoffe weisen wegen ihres Faseranteiles ein niedrigeres
spezifisches Gewicht auf
als herkömmliche Kolbenringmateriaiien,
wodurch z.B. die oszillierenden Massenkräfte in hochdrehenden Motoren gegenüber
bisher bekannten Kolbenringkonstruktionen erniedrigt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der
in das Metall oder den Kunststoff eingelegte Faseranteil in der Kolbenring-Außenzone
im Vergleich zur Kolbenring-Innenzone unterschiedlich groß ist. Denn die in Kolbenkrümmungslinie
orientierten Verstärkungsfasern dienen in der Gleitfläche des Kolbenringes als vorzügliches
Gleitmittel.
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In der Einlaufzeit ist der Verschleiß des Kolbenringes an seiner Gleitfläche
noch relativ groß.
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Die für das Einlaufverhalten so wichtigen Gleiteigenschaften werden
daher auch noch wesentlich durch solche Faserschichten mitbestimmt, die in unmittelbarer
Nähe der ursprünglichen Gleitzone des Ringes vorhanden sind und infolge des Abriebes
ihrerseits dann in die unmittelbare Gleitfläche gelangen.
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Für Einlaufzwecke wird daher bei Metallringen vorgeschlagen, daß der
Faseranteil in der Ringaußenzone größer als in der Ringinnenzone ist. Bei Kunststoffringen
ist die Fra-ge, ob der Faseranteil in der'Ringaußenzone zum Erzielen optimaler Einlauf-Gleiteigenschaften
ebenfalls größer als in.
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der Ringinnenzone sein soll, nicht generell zu bejahen: dies ist hier
abhängig von den Gleiteigenschaften de Kunststoffmatrix. In den Fällen, wo ein Kunststoff
mit besseren Gleiteigenschaften als die Verstärkungsfasern für die Matrix verwendet
wird, wird es für den Einlaufvorgang empfehlenswert sein, die Faserdichte in der
Ringaußenzone sogar geringer als die in der Ringinnenzone auszubilden.
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Durch den Verstärkungsfaseranteil erhöht sich jedoch zusätzlich noch
der Elastizitätsmodul des gesamten Kolbenringes gegenüber bisherigen Guß- oder Verbundkonstruktionen,
was seinerseits zu einem besseren Anliegen an die Zylinderwand führt. Durch geeignete
Variationen des Faseränteiles im Kolbenring ist es
zudem möglich,
einen bestimmten gewünschten Verlauf des Elastizitatsmoduls über den Ringumfang
zu erzielen, wodurch erwünschte Profile der Anpreßkraft längs des Ringumfanges herbeigeführt
werden können (wie etwa konstanter Anpreßdruck über den gesamten Umfang). Deshalb
wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der in das Metall
oder den Kunststoff eingelegte Faseranteil längs des Ringumfanges unterschiedlich
groß ist.
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Bei bisherigen Kolbenringkonstruktionen wurde eine bewußte und konsequente
Anwendung der durch die Eigenschaften der Verstärkungsfasern, insbesondere der Kohlenstoffasern,
gegebenen Möglichkeiten nicht durchgeführt. So wurde zwar eine Kolbenringanordnung
bekannt, bei der einzelne Bogensegmente u.a. auch mit Glasfasern versehen sind,
jedoch werden im Gegensatz zu der Erfindung dabei weder die Elastizität der Gesamtringkonstruktion,
noch deren Gleiteigenschaften beeinflußt, noch eine erwähnenswerte Gewichtsersparnis
erzielt.
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Es ist weiterhin auch ein Kolbenring aus.Kunststoff bekannt, bei dem
eine federnde Metalleinlage in den Kunststoff eingegossen ist. Diese allein für
Kunststoffringe gegebene Möglichkeit erzielt zwar eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls
des Ko.lbenringes, jedoch wird hierbei infolge der Metalleinlage das Gewicht des
Kolbenringes sogar noch erhöht. Der Verstärkungsanteil trägt nicht gleichzeitig
zu einer Verbesserung der Gleiteigenschaften bei, und es ist durch solche Konstruktionen
eine Beeinflussung des reinen Einlaufverhaltens des Ringes nicht möglich.
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Im spe-ziellen ist der bekannte Kunststoffring auch nur für Temperaturen
unter 150ob einsatzfähig.-In weiterer Ausgestaltung bezieht sich die Erfindung auf
Herstellungsverfahren für unrunde Ringe, die bei der Kolbenringherstellung als Ausgangswerkstück
dienen.
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Kolbenringe werden allgemein - besonders wenn sie bestimmte Größen
überschreiten - aus sogenannten.
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"unrunden" Rohren gefertigt.
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Dies geschieht in der Form, daß von unrunden Rohren einzelne Ringe
abgestochen werden, bei denen anschließend noch der Stoß herausgetrennt werden muß.
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Der Querschnitt der unrunden Rohre ist dabei so bemessen, daß nach
Heraustrennen des Stoßes beim Zusammenbiegen des Ringes (also im eingebauten Zustand)
ein Kreis entsteht. Das Herstellen dieser unrunden Rohre seinerseits erfordert sehr
schwierige Verarbeitungsschritte, bei denen die Anwendung komplizierter Formdreh-Bohrmaschinen
zur Bearbeitung der aus verschiedenen Radien zusammengesetzten ovalen Kontur der
Ringe erforderlich ist.
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Die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren lösen die Aufgabe, mit
vergleichsweise sehr geringem Aufwand diese ovalen Rohre herzustellen, wobei sowohl
die Verwendung komplizierter Bearbeitungsmaschinen als auch die Notwendigkeit von
nur schwierig durchführbaren Bearbeitungsschritten vermieden wird.
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Nach dem ersten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden die
ovalen Rohre durch Aufwickeln von mit Metall-- oder Kunststoffmatrix getränkten
unendlichen Verstärkungsfasersträngen auf einen ovalen Wickeldorn und durch anschließendes
Aushärten der Matrix (bei Kunststof-f) bzw. anschließend-e Wärmebehandlung der Matrix
(bei Metall) hergestellt.
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Die moderene Faser-Wickeltechnik ermöglicht es dabei, sowohl genaue
Rohrwandstärken zu wickeln wie auch Oberflächen einer solchen Oberflächengüte herzustellen,
daß eine Nachbearb-eitung - wenn überhaupt -nur in sehr geringem Maße erforderlich
ist.
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Dieses Verfahren ist überraschend wenig aufwendig, billig, und es
vermeidet ein kompliziertes Formdrehen der Rohrkonturen (vor einer eventuellen Nachbehandlung).
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Beim zweiten erfindungsgemäßen-Her-stellungsverfahren werden die unrunden
Rohre in der Art hergestellt, daß
die mit Matrix versehenen Verstärkungsfasern
in eine ovale Form eingelegt, anschließend durch Heißpressen in Richtung der Form-Mittelachse
verdichtet werden und sodann die Matrix zum Erstarren gebracht wird.
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Gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Verfahren werden die unrunden
Rohre dadurch hergestellt, daß die Verstärkungsfasern ohne Matrix in eine ovale
Form eingelegt werden, sodann der Matrixwerkstoff zwischen die Fasern gepreßt und
anschließend die Matrix zum Erstarren gebracht wird.
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Das zweite wie das dritte erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erfordern
ebenso wie das erste einen überraschend geringen baulichen Aufwand: sie sind damit
billiger als herkömmliche Sinter- oder Formdrehverfahren, und bei beiden entfällt
ein nachträgliches Bearbeiten der so hergestellten Rohre, da diese Verbundrohre
bereits eine hohe Genauigkeit und Maßhaltigkeit aufweisen.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren sind im Gegensatz zu bereits bekannten
Verfahren geeignet, unrunde Rohre aus faserverstärktem Metall oder Kunststoff herzustellen,
die als Ausgangsprodukte für die Anfertigung'von faserverstärkten Kolbenringen notwendig
sind. Dabei sind diese erfindungsgemäßen Verfah-ren unkom.plizierter-als bisher
bekannte Verfahren, zudem auch billiger, und die Maßgenauigkeit der Verbundkörper
ist so groß, daß eine (bisher notwendige) Nachbearbeitung der unrunden Rohre entfallen
kann.
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In der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele von Kolbenringen gemäß
der Erfindung dargestellt, und zwa-r in Fig. 1: ein Kolbenring mit gleichmäßig verteilter
Fasereinlage über dem Umfang (Draufsicht) Fig. 2: ein Kolbenring mit- gleichmäßig
verteilter Fasereinlage (im Querschnitt)
Fig. 3: ein Kolbenring
mit verstärkter Fasereinlage in der Einlauf- bzw. Gleitschicht (im Querschnitt)
Fig. 4: ein Kolbenringsegment mit eingelegten Stapelfasern Fig. 5: ein Kolbenringsegment
mit unterschiedlicher Faserkonzentration längs des Umfangen Fig. 6: ein Kolbenring
mit verstärkter Fasereinlage in der Einlauf-Gleitschicht in formschlüssiger Verbindung
mit einem auf dem Nutboden der Kolbenringnut sich befindlichen Dichtring (Querschnitt).
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Der Kolbenring 1 wird gebildet aus einer Metall- oder Kunststoffmatrix
2, in die Verstärkungsfasern 3 in Krümmungsrichtung des Kolbenringes eingelagert
sind (Fig. 1 und 2).
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Diese Verstärkungsfasern können entweder aus durchgehenden Fasersträngen
(Fig. 1) oder auch aus kurzen Stapelfasern (Fig. 4) bestehen. In Fig. 3 ist ei-n
in der Randzone des Kolbenringes' verstärkter Faseranteil dargestellt, durch den
die Einl-auf-Gleiteigenschaften etwa bei einem Metallring verb-essert werd-en. Durch
Veränderung des Faseranteiles längs des Umfanges (Fig. 5) ist ein über den Ringumfang
unterschiedlicher Elastizitätsmodul e-rzi-elbar.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem de-r Kol-Denring durch
eine entsprechende Formgebung mit einem auf dem Nutenboden eingesetzten Dichtring
eine fo-rmschlüssige Verbindung aufweist: der -Kolbenri-ng 1 hat längs seines I-nnenumfang-es
einen uml-aufen-den kreisförmigen Absatz 4, dessen Innendurchmesser kleiner als
der Innendurchmesser -der l-olbenring-Innnenflä-c:he ist, auf der sich dieser Absatz
befindet. Dieser hbsátz greift in eine entsprechende, kreisförmige Nut eines auf
dem Kolbenring-Nutboden befin.dlichen Dichtringes 5, wodurch ein Formschluß zwischen
beiden Ringe hergestellt wird.
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Sämtliche Ausführungsbeispiele von Kolbenringen, bei denen Verstärkungsfasern
nach der Erfindung verwendet werden können, sind, auch wenn sie hier nicht besonders
beschrieben wurden, Bestandteil der vorliegenden Erfindung; dies gilt insbesondere
für alle Arten von Formgebung, die dem Zweck einer Verbindung mit weiteren Elementen
(wie etwa -Dichtringen) dienen sollen.