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Elastischer Kolbenring für Kolbenkraftmaschinen.
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Die Erfindung betrifft einen elastischen Kolbenring für Kolbenkraftmaschinen,
insbesondere für mit Schweröl betriebene Zweitakt-Dieselmotoren.
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Bekanntlich hat ein Kolbenring die Funktion, den Verbrennungsraum
gasdicht abzuschließen. Außerdem muß er folgende Bedingungen erfüllen: Er soll eine
hohe mechanische Widerstandskraft gegenüber Ermüdungserscheinungen und Stoßbeanspruchungen
besitzen, die Verschleißerscheinungen sowohl des Kolbenringes selbst als auch der
Laufbuchse, in der er gleitet,sollen möglichst gering sein, er soll so beschaffen
sein, daß sogenannte Kolbenfresser vermieden werden.
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Die Möglichkeit eines Kolbenringes, den vorgenannten Anforderungen
zu entsprechen, hängt grundsätzlich einerseits von der Art der Beanspruchungen (mittlerer
effektiver Druck, mittlere Kolbengeschwindigkeit, Kraftstoffart, usw.), denen er
ausgesetzt ist, und andererseits von den charakteristischen Merkmalen des Entwurfs
ab.
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Bei Zweitakt-Dieselmotoren, die mit schwerem Kraftstoff betrieben
werden, ist der elastische Dichtungsring insbesondere den folgenden Einwirkungen
ausgesetzt: Erhöhte thermische und mechanische Beanspruchung durch das Gas, die
bis zum Bruch infolge von Materialermüdung fUhren kann, Schläge der freien Enden
des elastischen Ringes gegen die Ränder der Spülungs- und Auslaßschlitze, die ebenfalls
Ursache für Materialbruch sein können, Temperatur der Laufbuchse und Kraftstoffkomponenten,
die eine Beeinträchtigung des Schmieröls bewirken, mit schädlichen Auswirkungen
in bezug auf den Verschleiß und das Fressen, insbesondere bei Materialien mit ungeeigneten
Werkstoffeigenschaften.
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Bei herkömmlichen Dichtungsringen sind die für den Entwurf maßgebenden
Merkmale (Form, Material, Abmessungen usw.) das Ergebnis eines Kompromisses zwischen
den einander widersprechenden Forderungen nach mechanischer Widerstandsfähigkeit,
Verschleißfestigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen das Kolbenfressen. Es besteht
außerdem gegenseitige Abhängigkeit zwischen den maßgebenden Parametern, welche den
endgültigen Konstruktionsplan bestimmt.
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Bei dem Versuch, die Probleme, die mit der Widerstandsfähigkeit gegen
Material ermüdung und Stöße einerseits und dem Verschleiß und dem Fressen andererseits
zusammenhängen, durch' geeignete konstruktive Eingriffe zu lösen, wurden bisher
grundsätzlich diebeiden folgenden Wege beschritten: Der eine Weg beinhaltet rein
geometrische Maßnahmen, die zu einer Eliminierung oder zumindest Verringerung der
von dem Außenrand des Kolbenringes auf den Rand der Schlitze
ausgeübten
Schläge führen sollen, der zweite Weg vereinigt Maßnahmen geometrischer und technologischer
Art. Er ist gekennzeichnet durch zusammengesetzte Lösungen, wobei mehrere Materialien
Verwendung finden, die jeweils einzeln an die beiden einander widersprechenden Forderungen
angepaßt sind.
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Bekannte Lösungen, die auf dem ersten Kriterium, d.h. der geometrischen
Gestaltung, basieren sind eine radiale VerJüngung auf der Außenseite der freien
Enden des Kolbenringes, Ausnehmung der freien Enden des Ringes, Abrundung der Ränder
und äußeren Kanten der freien Enden.
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Der Kolbenring kann sich auf diese Weise verformen, wenn er an den
Schlitzen vorbeiläuft, ohne daß die freien Enden, die durch den Gasdruck nach außen
getrieben werden, gegen die Ränder der Schlitze stoßen.
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Bei diesen Systemen findet man auch eine Verlaschung vom 'tDuo-lap't-Typ.
Diese Lösung bewirkt ein gegenseitiges radiales Festhalten zwischen den freien Enden
und verhindert damit das Heraustreten der Spitzen und die Gefahr, daß diese gegen
die Schlitze schlagen. Da es sich um ein gegenseitiges Festhalten handelt, tritt
die maximale radiale Verschiebung jedes der beiden freien Enden dann auf, wenn die
Schnittstelle mit der Mittellinie des Schlitzes zusammenfällt. Damit entspricht
diese Lösung der eines normalen Ringes mit halbierter Schlitzbreite.
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Der zweite der obengenannten Lösungswege führte zur Schaffung zusammengesetzter
Dichtungsringe, wobei Trägermaterialien mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen
ErmUdungserscheinungen und lmpulsbeanspruchungen in einem geeigneten
technologischen
Verfahren mit Uberdeckungsmaterialien gepaart werden, die mit Rücksicht auf die
Gleitfähigkeit in der Laufbuchse bestimmt sind, daher besonders verschleißfest sind
und dem Kolbenfressen widerstehen.
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Die bei dem erstgenannten Lösungsweg angewandten geometrischen Vorkehrungen
besitzen in mehr oder weniger ausgeprägter Form den Nachteil, daß die Gasundichtigkeit
zwischen den freien Enden des Ringes und in deren Umgebung vergrössert wird, was
zu lokalen Temperaturerhöhungen der Laufbuchse, des Kolbens und der freien Enden
des Kolbenringes selbst führt. Aus diesen wiederum können Beschädigungen oder Bruch
sowie eine Beeinträchtigung oder Zerstörung der Schmierölschicht resultieren, was
die Gefahr von Kolbenfressen mit sich bringt.
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Eine Ausnahme bilden die Ringe mit Verlaschungen nach dem 'tDuo-lap"-Typ,
bei denen die Gasundichtigkeit außerordentlich gering ist. Ein Nachteil besteht
jedoch in der Schwächung der Ringenden, die in bezug auf die maximale von der Verbindung
auszuhaltende radiale Kraft oder in bezug auf die bei dieser Anordnung keineswegs
zu vermeidenden Stöße auf die Ränder allzu groß werden kann.
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Die Lösungen, die eine Zusammensetzung aus unterschiedlit chen Materialien
vorsehen, beseitigen die Stöße auf die Schlitzränder nicht sondern beschränken sich
darauf, die Folgen dieser Stöße erträglich zu machen. Sie besitzen den Nachteil,
daß im Falle eines Materialverschleißes oder dann, wenn das aufgetragene Material
sich durch die Wirkung der Stöße ablöst, das Trägermaterial, das als Gleitmaterial
völlig ungeeignet ist, entblößt wird. Dies kann schwerwiegende Folgen für den Verschleiß
und das Fressen der Laufbuchse mit sich bringen.
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Die Erfindung verfolgt den Zweck, die Parameter der Materialwahl und
der Gestaltung bei elastischen Dichtungsringen, die
zwei Problemkreisen
angehören, voneinander unabhängig zu machen und damit ihre voneinander unabhängige
Optimierung zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Stoßwirkung
auf den Dichtungsring durch eine Festlegung seiner freien Enden zu vermeiden, ohne
daß hierdurch seine mechanische Widerstandsfähigkeit insgesamt, seine elastischen
Eigenschaften und seine Gleitfähigkeit beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Dichtungsring
aus einer Mehrzahl voneinander unabhängiger die äußeren Dichtungselemente bildender
Sektoren sowie aus wenigstens einem inneren elastischen Element besteht, das in
radialer und in Umfangsrichtung mit den Sektoren mittels eines in diesen angebrachten
Sitzes verbunden ist.
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Die Vorteile des erfindungsgemäß gestalteten Dichtungsringes sind
in der Tatsache begrUndet, daß eine Trennung der Funktionen zwischen den einzelnen
Bestandteilen des Ringes möglich ist: a) Die äußeren Elemente (Sektoren) bilden
die Gleitflächen und dienen zur Dichtung, b) das bzw. die inneren Elemente (die
eine Feder bilden) bestimmen durch ihre elastische Richtkraft die auf die Sektoren
wirkende Radialkraft. Durch ihre Verbindung mit den Sektoren bewirken sie, daß diese
kontinuierlich hintereinander liegen und vermeiden damit das Eindringen der Enden
der Sektoren in die Schlitze des Zylinders und die entsprechenden Schläge gegen
die Ränder der Schlitze selbst.
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Infolgedessen können bei Verwendung von Dichtungsringen gemäß der
Erfindung breitere Schlitze in den Zylindern angebracht
werden,
als dies bei normalen Dichtungsringen möglich ist. Dies bringt den Vorteil mit sich,
daß für die Zirkulation der Spülungsluft des Motorzylinders geringere Energie erforderlich
ist.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Fig. 1 und 2 zeigen transversale und radiale Schnittzeichnungen eines
bekannten bzw. eines nach der Erfindung gestalteten Dichtungsringes Jeweils in ihrer
natürlichen Position innerhalb ihres Sitzes, während sie sich vor einem Schlitz
befinden.
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Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf den erfindungsgemäß gestalteten Dichtungsring.
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Fig. 4 und 5 zeigen Transversalschnitte längs der Linien IV-IV bzw.
V-V von Fig. 3.
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In Fig. 1 ist ein bekannter elastischer Dichtungsring 1 dargestellt,
der sich in der Ringnut eines Kolbens 2 befindet. Außerhalb des Bereiches der Spülungs-
und Auslaßschlitze 4 liegt er an der Innenfläche einer Laufbuchse 3 an. Die freien
Enden des Dichtungsringes können infolge der auf ihn einwirkenden thermischen und
mechanischen Beanspruchungen in die Schlitze 4 eindringen. Hieraus resultieren Stöße
gegen die Ränder der Schlitze, die zu einem Bruch des Dichtungsringes führen können.
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In Fig. 3 sind die Sektoren 5 sichtbar, von denen fünf längs der Umfangslinie
eines Kreises auf einer Ringfeder 6 angeordnet sind, wobei zwischen ihnen in Umfangsrichtung
ein geeignet bemessenes Spiel vorgesehen ist, durch das die
freie
Ausdehnung der Sektoren im Betrieb gewährleistet ist.
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In Fig. 2 ist erkennbar, daß ein Dichtungselement (Sektor) 5 gemäß
der Erfindung infolge seiner von der Feder 6 verursachten radialen Bindung nicht
in den Schlitz 4 des Zylinders eindringen kann.
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Die Sektoren 5 können aus dem gleichen oder aus einem anderen Material
hergestellt sein wie die normalen Dichtungsringe. Sie können aus Metall oder aus
einem anderen Werkstoff bestehen. Die elastische Richtkraft der offenen Ringfeder
6 liefert die Radialkraft und dient zur Bindung der Sektoren 5. Die Ringfeder 6
befindet sich in einem Sitz 8, der von einer in jedem Sektor angebrachten kreisbogenförmig
verlaufenden Nut gebildet ist. Die Feder 6 ist so gestaltet, daß sie längs ihres
kreisförmigen Umfanges einen gleichmäßigen Druck erzeugt.
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Gemäß Fig. 4 liegt jeder Sektor 5 unter natürlichen Bedingungen mit
seiner Gleitfläche a an der Buchse 3 an. Die Radiallast wird dabei von der Feder
6 über die Sitzfläche b auf den Sektor 5 übertragen. Freie Enden der-Sektoren 5,die
sich im Bereich der Schlitze 4 befinden, können in diese nicht eindringen, da sie
über die Anlagefläche c von der Feder 6 gehalten werden.
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Ein geeignetes Spiel zwischen dem Sitz 8 und der Feder 6 gewährleistet
sowohl im Betrieb als auch beim Zusammenbau eine freie Bewegung zwischen Feder und
Sektor.
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Um zu verhindern, daß die Lage der freien Enden der Sektoren 5 und
der Feder 6 durch eine relative Verdrehung zwischen den Teilen zusammenfällt und
damit der radiale Halt der Sektoren 5 beeinträchtigt wird, ist ihre Position in
bezug auf den Zuschnitt der Feder 6 durch eine in einem der Sektoren angebrachte
Sicherung 7 eindeutig festgelegt.
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Diese Sicherung 7 wird bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel von
einem Haltestück gebildet, das an die Wandungen der Nut 8 in einem der Sektoren
5 angeschweißt ist.