DE2600115A1 - Verfahren und vorrichtung zur formung eines kolbenrings - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Formung eines Kolbenrings

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines Kolbenrings, wobei insbesondere eine leichte zusätzliche Krümmung nach innen, die oftmals negative Spitzenwölbung (negative point protrusion) genannt wird, an beiden Seiten des Schlitzes eines Kolbenrings erzeugt wird.

Die durch bekannte Verfahren hergestellten geschlitzten Kolbenringe weichen gewöhnlich etwas von der runden Form ab, damit der Ring einen gleichmäßigen Druck rings um die Zylinderwand ausübt, wenn er zusammengedrückt und in den Zylinder

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eingeschoben ist. Manchmal neigen die Enden eines solchen Rings infolge der ursprünglichen langgestreckten Form des Rings dazu, weiter nach außen zu federn als der übrige Ring. Diese Neigung kann bei Verbrennungskraftmaschinen mit Ventilöffnungen innerhalb der Zylinderwände Schwierigkeiten verursachen. Die Enden eines Rings können beim Gleiten über eine Ventilöffnung etwas nach außen federn und sodann sich an der oberen oder unteren Kante der Ventilöffnung verfangen, wenn der Kolben weiter wandert. Im allgemeinen verursacht die Wirkung des Verfangens keine ernstlichen Schwierigkeiten am Ring selbst, sondern diese bestehen darin, daß Metallspäne in den Zylinder fallen, die ernstliche Schwierigkeiten hervorrufen und zu einer frühzeitigen Abnützung führen können. Es ist daher -zweckmäßig, eine leichte zusätzliche Krümmung nach innen an jedem an den Schlitz angrenzenden Ende des Kolbenrings hervorzurufen. Diese negative Spitzenwölbung des Rings bringt die Enden des Rings innerhalb des Zylinders etwas nach innen, so daß sie sich nicht an den Kanten der Ventilöffnungen verfangen können.

Früher genügte ein Einschleifen des Außenseite eines Rings, wobei der Ring ähnlich wie bei der Zündung eines Zylinders in den Zylinder zusammengedrückt und in demselben mit einem feinen Schleifmittel hin- und herbewegt wurde, um ernstliche Probleme bezüglich des Verfangens der Ringenden in der oben beschriebenen Weise bei Betrieb auszuschalten. Die Belastungen innerhalb des Rings wurden mehr oder weniger während des Schleifens durch Abnahme von Material in den Bereichen ausgeglichen, die einen größeren auswärts gerichteten Druck ausüben und die Ringenden umfassen. Bei bestimmten neueren Maschinen werden jedoch die Kolbenringe höheren Belastungen ausgesetzt, die oftmals eine tatsächliche Verminderung der Ringenden erfordern, um ein Verfangen an den Ventilöffnungen zu vermeiden. Insbesondere bei turbogeladenen Maschinen, die viel höhere Drücke innerhalb der gezündeten Zylinder erzeugen, üben die

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in den Raum zwischen Kolben und Kolbenring eindringenden Druckgase, größere nach außen gerichtete Drücke auf den Ring aus und veranlassen ihn,mit größerer Kraft nach außen auf den Zylinder zu drücken. Infolgedessen werden die Ringenden genügend nach außen gedrückt, um ein Verfangen derselben an den Ventilöffnungen in der Zylinderwand zu ermöglichen.

Es wurden besondere Schleifvorgänge, wie das "Kurvenprofilschleifen" ,angewendet, um Material von den Außenflächen der Ringenden abzunehmen, was zu einer Verminderung der Ringfläche an dessen Enden führte. Ferner wurde eine negative Spitzenwölbung der Kolbenringenden durch Kaltbiegen hervorgerufen. Diese Verfahren können jedoch zu Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenbeschaffenheit, zu einem ungleichen Biegen und zu einem gewissen Verlust der Ringfestigkeit führen. Die Verfahren sind außerdem im allgemeinen kostspieliger als das erfindungsgemäße Verfahren.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen eines Kolbenrings, die in der Lage sind, die Kolbenringenden schnell und wirkungsvoll in dem unmittelbar an den Schlitz angrenzenden Bereich mit einer leichten Einwärtskrümmung oder negativen Spitzenwölbung zu versehen.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren zur Erzielung einer negativen Spitzenwölbung (negative point protrusion) an einem Kolbenring, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt der Innenfläche des Rings auf beiden Seiten des Ringschlitzes erhitzt wird, wobei die Erhitzung innerhalb eines Teiles der an die Innenfläche angrenzenden Ringtiefe über eine vorbestimmte Zeitspanne lokalisiert wird, und daß der erhitzte Ring abgekühlt wird.

Ferner wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffen, die sich

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auszeichnet durch eine Ringhaltevorrichtung zum Festhalten eines geschlitzten Kolbenrings in einer zum Formen geeigneten Lage und durch positive und negative elektrische Kontakte zur Berührung mit der Innenfläche des Rings.

Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, wobei einige Teile zur besseren Klarheit weggelassen sind;

Fig. 4 eine schematische, etwas übertriebene Darstellung eines Kolbenrings nach Durchführung eines Formvorgangs gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Formung eines Kolbenrings, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Vorrichtung weist eine Grundplatte 11, eine gleitbare Kolbenring-Haltevorrichtung 14,· die durch eine Einrückeinrichtung 16 betätigbar ist, und eine Ringheizeinrichtung 18 auf, die an der Grundplatte 11 befestigt ist. Die Einrückeinrichtung 16 weist vorzugsweise eine Verbindungsstange 17 auf, die an einem nicht gezeigten Pneumatik- oder Hydraulikzylinder oder irgendeine andere hin- und hergehende mechanische Antriebseinrichtung angelenkt ist. Die gleitbare Haltevorrichtung 14 kann auf der Grundplatte 11 mittels Schlitzlöchern 19 und Zapfen 21 geführt sein, die von der Grundplatte 11 nach oben ragen und genau

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in die Schlitzlöcher 19 passen, oder es können zu diesem Zweck auch andere Führungseinrichtungen vorgesehen sein. Ein Kolbenring 22, der mit seinem Schlitz 23 gemäß Fig. 1 nach rechts ausgerichtet ist, wird in die Haltevorrichtung 14 gelegt, wenn diese sich in einer nicht eingerückten, gemäß Fig. 1 nach rechts verschobenen und durch gestrichelte Linien dargestellten Ladestellung befindet. Der Ring 22 wird in eine kreisförmige Öffnung 24 der Haltevorrichtung 14 eingesetzt und befindet sich in einem etwas zusammengedrückten Zustand, da die Öffnung 24 kleiner ist als der Durchmesser des Rings 22 im nicht zusammengedrückten Zustand. Die .Einrückeinrichtung 16 zieht sodann die Haltevorrichtung 14 nach links in die in Fig. 1 in ausgezogenen Linien dargestellte Stellung, in der die Innenfläche des Kolbenrings 22 von der Heizeinrichtung 18 berührt wird. Die Haltevorrichtung 14 ist vorzugsweise nichtmetallisch, wenigstens in den den Ring 22 berührenden Bereichen. Der Kolbenring 22 ist bereits nach den herkömmlichen Verfahren einschließlich eines Abschleifens der Außenfläche vervollständigt, so daß die ganze Außenfläche des Rings vor dem hier beschriebenen Formvorgang glatt ist.

Die Heizeinrichtung 18 arbeitet vorzugsweise mit elektrischer Widerstandsheizung durch Elektroden 26 und 27 entgegengesetzter Ladung, Die Elektroden, die in Fig. 1 in Berührung mit dem· Kolbenring 22 dargestellt sind, berühren den Ring mit einer Vorspannkraft von vorzugsweise je etwa 4,5 kp (Io pounds). Die Vorspannkraft wird durch die Einrückeinrichtung 16 aufgebracht.

Die Heizeinrichtung 18 und ihre Berührung mit dem Ring 22 sind ausführlicher in den Figuren 3 und 5 dargestellt. Ein federbelasteter Überbrückungskontakt 28 mit einer vorzugsweise sich verjüngenden Form liegt an den Innenflächen des Rings an beiden Seiten des Schlitzes an, indem er die von den Ringenden gebildeten Kanten berührt. Der Zweck des Überbrückungskontaktes 28 besteht in der Herstellung eines elektrischen Weges zwischen den beiden zu erhitzenden Ringabschnitten, so daß ein Strom

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von einer der Elektroden 26 bzw. 27 durch die Innenfläche 22a des einen Ringabschnitts zuffianderen fließen kann. Die Elektroden 26 und 27 bilden jeweils eine schmale Kontaktlinie an der Innenfläche des Rings 22, wie in den Figuren 3 und 5 gezeigt. Jede der Elektroden 26 und 27 wird von einem Kontaktblock 29 bzw. 30 aus elektrisch leitendem Material getragen. Die Kontaktblöcke 29 und 30, die entsprechend der Krümmung des Rings 22 geformt sind, jedoch einen Abstand von diesem aufweisen, wie in Fig. 3 gezeigt, wirken als Wärmesenken für die vom erhitzten Ring 22 abgeführte und abgestrahlte Wärme. Die Blöcke 29 und 30 sind jeweils an elektrisch leitenden Halteblöcken 31 bzw. 32 befestigt, die durch einen Isolator 33 voneinander getrennt sind. Spannung wird der Heizeinrichtung 18 durch ein Paar von nicht gezeigten elektrischen Leitern entgegengesetzter Polarität zugeführt, die mit den Kontaktblöcken 31 und 32 und mit einer nicht gezeigten Spannüngsquelle verbunden sind, und die Blöcke 31 und 32 sind entsprechend gegen die Grundplatte 11 durch Isolatorfolien 34 isoliert.

Zur Kühlung der Heizeinrichtung 18 einschließlich der Halteblöcke 31 und 32 sind Kühlmitteldurchführungen durch die Blöcke 31 und 32 vorgesehen. Wasser oder anderes Kühlmittel strömt in die Blöcke durch die Einlaßleitungen 35 (siehe Figuren 1 und 2) und tritt durch Auslaßleitungen 36 (nur in Fig. 2 sichtbar) aus.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Überbrückungskontakt 28 mit einem Stößel 37 versehen, der in einer Stößelhülse 38 aus elektrisch isolierendem Material gleitet, welche in einen Hohlraum zwischen den zwei Blöcken 31 und 32 eingesetzt ist. Innerhalb der Stößelhülse 38 erzeugt eine Druckfeder 39 eine Vorspannkraft, welche den Überbrückungskontakt 28 gegen die Enden des Kolbenrings 22 drückt. Die Vorspannkraft übersteigt

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vorzugsweise die von den Kontakten 26 und 27 gegen die innere Ringfläche ausgeübte Kraft von 4,5 kp (IO pounds).

Bei einer anderen Elektrodenanordnung kann der mittlere Überbrückungskontakt 23 als Elektrode einer Polarität geeignet angeschlossen werden und als "geerdete" Elektrode dienen und die äußeren Elektroden 26 und 27 können die entgegengesetzte Polarität führen. Auf diese Weise kann der Stromfluß durch den Ring 22 individuell auf jeder Seite des Schlitzes 23 zur Erzielung einer individuellen Formsteuerung geregelt werden, wenn gewünscht.

Wenn elektrische Energie durch die Kontakte 26 und 27 auf den Kolbenring 22 gegeben wird, fließt der Strom zwischen den Kontakten längs der Innenfläche 22a des Rings 22 und dringt nur wenig in die Tiefe des Rings ein. Dies bewirkt, daß sich der Bereich längs des Stromweges plötzlich aufheizt und sich auszudehnen sucht.

Die restliche Dicke des Rings verhindert jedoch eine Ausdehnung und der beeinflusste Berei'ch 22a wird zusammengedrückt. Obwohl die Rückhaltewirkung der nicht erhitzten Dicke des Rings ausreicht, um eine Ausdehnung zu verhindern, bewirkt das Einschließen des Rings ein zusätzliches Zurückhalten. Da der Ring sich nicht ausdehnen kann, gibt die innere Struktur des Rings nach und der beeinflusste Bereich steht nicht mehr unter Druck. Wenn sich der Ring abkühlt, sucht sich der beeinflusste Bereich 22b zusammenzuziehen und gerät unter Spannung. Wie in Fig. 4 gezeigt, zieht beim Wegnehmen der Kontakte und beim Herausnehmen des formveränderten Rings 22' aus der umschließenden Haltevorrichtung 14 die Spannung längs der Innenfläche 22b des Rings die Ringenden nach einwärts und bildet einen allgemein konstanten Krümmungsradius Rp, der kleiner ist als der Radius R. des übrigen Rings 22'. Die veränderte Ringform ist etwas übertrieben in Fig. 4 gezeigt.

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Der Betrag der an einem Kolbenring erzielten negativen Spitzenwölbung wird durch eine Anzahl von Veränderlichen bestimmt: Durchmesser des Rings; Abstand zwischen den Elektroden, d.h. Lange des beeinflussten Endabschnitts 22a des Rings; Dicke des Rings; Heizzeit; und Temperatur des beeinflussten Bereichs während des Heizens. Die während des Heizens erreichte Temperatur wird durch die Stärke des eingeleiteten elektrischen Stroms sowie durch die Dauer des Einleitens gesteuert.

Bei einer bestimmten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden Kolbenringe mit einem Durchmesser von 23,019 cm (9,0625 inches) und einer Dicke von 0,762 cm (0,300 inch) zwischen Außen- und Innenfläche verwendet. Die Elektroden besaßen einen Abstand von etwa 3,175 cm (1,25 inch) vom Schlitz. Die elektrischen Stromzuführeinrichtungen wurden so geregelt, daß man eine negative Spitzenwölbung von 0,0038 bis 0,0089 cm (0,0015 bis 0,0035 inch) bei einer Leistungszuführung von etwa 1/2 bis 2 Sekunden erzielte. Die Temperaturen der erhitzten Teile des Rings betrugen etwa 2O4°C (400°F).

Bei anderen Versuchen einer negativen Spitzenwölbung unter Verwendung einer Widerstandsheizung mit direkter Berührung hat sich gezeigt, daß die Temperaturen im Bereich von etwa 93° bis 816°C (200° bis 1500°F) lagen und vorzugsweise zwischen 260° und 538°C (500° und 1000°F) gehalten wurden. Bei einem Kolbenring mit einer Dicke von etwa 0,381 cm (0,150 inch) sollte die Heiztiefe etwa 0,076 cm (0,030inch) betragen. Die Heiztiefe soll stets geringer sein als die Hälfte der Ringdicke und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 20% der Dicke. Dies wird durch die Temperatur sowie durch die Dauer der Erhitzung gesteuert. Die Dauer der Erhitzung kann von 1/2 Sekunde bis 10 Sekunden betragen, wird jedoch vorzugsweise zwischen etwa 1/2 Sekunde!.· und 2 Sekunden gehalten. Der Abstand zwischen jedem elektrischen Kontakt und dem benadbarten

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Ringende soll etwa 5 bis 20% des Ringdurchmessers betragen. Die für die Erhitzung erforderliche elektrische Leistung beträgt etwa 3 bis 5 kW bei einer Frequenz von etwa 450 kHz. Allgemein ist der gewünschte Betrag der negativen Spitzenwölbung etwa 0,0025 bis 0,005 cm (0,001 bis 0,002 inch).

Zur Erzielung einer negativen Spitzenwölbung wurde auch Flammenerhitzung und elektrische Induktionserhitzung für das Heizen der Kolbenringe angewendet. Auch diese beiden Heizverfahren waren erfolgreich und ergaben die gewünschte Änderung der Ringform, jedoch waren die Ergebnisse nicht so einwandfrei wie die mit Widerstandsheizung bei direkter Berührung erzielten.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzielung einer negativen Spitzenwölbung (negative point protrusion) an einem Kolbenring, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (22a) der Innenfläche des Rings (22) auf beiden Seiten des Ringschlitzes (23) erhitzt wird, wobei die Erhitzung innerhalb eines Teiles der an die Innenfläche angrenzenden Ringtiefe über eine vorbestimmte Zeitspanne lokalisiert wird,und daß der erhitzte Ring abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Rings (22) längs der genannten Abschnitte (22a) der Ringlänge bis zu einer Tiefe, die geringer ist als die Hälfte der Ringdicke, und auf eine Temperatur und über eine Zeitspanne erhitzt wird, welche ausreichen, die innere' Struktur des erhitzten Ringabschnitts zu veranlassen, unter der Wirkung des Wärmedehnungsdruckes nachzugeben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung durch Durchleiten eines elektrischen Stromes längs der Innenfläche der genannten Ringabschnitte (22a) bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring vor dem Erhitzen in einer festen Lage eingeschlossen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ringhaltevorrichtung (14) zum Festhalten eines geschlitzten

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Kolbenrings (22) in einer zum Formen geeigneten Lage und durch positive und negative elektrische Kontakte (26,27) zur Berührung mit der Innenfläche (22a) des Rings.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen positiven elektrischen Kontakt (26) zur Berührung mit
dem Kolbenring (22) auf einer Seite des Schlitzes (23), einen negativen Kontakt (27) zur Berührung mit dem Ring (22) auf der anderen Seite des Schlitzes (23) und einen leitenden Überbrückungskontakt (28) zur Berührung mit
beiden Enden (23) des Rings am Schlitz.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen elektrischen Kontakt (28) einer Polarität zur Berührung der Innenfläche (22a) des Rings (22) auf beiden Seiten
des Ringschlitzes (23) und durch ein Kontaktpaar (26,27) der anderen Polarität zur Berührung der Innenfläche (22a) des Rings an zwei Stellen beiderseits des Schlitzes und im Abstand von diesem.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringhaltevorrichtung (14) eine kreisförmige Ringaufnahmeöffnung (24) aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kolbenrings
(22) in nicht zusammengedrücktem Zustand.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringhaltevorrichtung (14) zwischen einer zurückgezogenen Stellung und einer Stellung gleitend verschiebbar ist,

in der ein Kolbenring.(22) in Berührung mit den Kontakten (26,27) steht.

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