DE2738170A1

DE2738170A1 - Kolbenringanordnung fuer brennkraftmaschinen o.dgl.

Info

Publication number: DE2738170A1
Application number: DE19772738170
Authority: DE
Inventors: George Jay Anderson; Roscoe Lee Bell
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1978-05-11
Also published as: NL7709911A; JPS5354648A; US4108448A; IN148254B; IT1090404B; DE2738170C2; SE7709668L; ES469105A1; NL179501B; AU508594B2; MX4901E; CA1093599A; JPS628673B2; AU2743877A; NL179501C; SE432811B; FR2369469A1; ES461895A1; BR7706334A; FR2369469B1

Description

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DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

DANA Corporation
Post Office Box 1000, Toledo, Ohio, 13 697 / USA

"Kolbenringanordnung für Brennkraftmaschinen oder dgl."

Die Erfindung betrifft eine Kolbenringanordnung für Brennkraftmaschinen oder dgl., bestehend aus einem äußeren Ringelement, dessen äußere Umfangsfläche abdichtend und gleitend mit der Zylinderinnenwand zusammenwirkt, und einem als Abstandshalter und Vorspanneinrichtung dienenden Federelement.

Seit einiger Zeit werden Kolbenringe verwendet, welche gesonderte Federvorspannelemente als Teil der Kolbenringe aufweisen, über diese Vorspannelemente wird eine nach außen gerichtete Vorspannkraft auf die Abdichtfläche des Kolbenringes gegen die Innenfläche des Zylinders ausgeübt, in dem ein den Kolbenring aufweisender Kolben arbeitet. Verschiedene Ausführungsformen der Kolbenringe und Federelemente sind bekanntgeworden. Diese haben jedoch alle ein gemeinsames Problem, das darin besteht, daß die verschiedenen Teile des Kolbenringes zu einer im wesentlichen starren Einheit werden, was den Kolbenring unbrauchbar werden läßt. Der Ausdruck zeigt an, daß der eigentlich·

L J

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Ring und das Vorspannelement so fest miteinander verbunden werden, daß die Feder einen wesentlichen Teil ihrer Vorspann fähigkeit für den Ring verliert (vgl. US-PS 2 729 524, 3 156 95¹I und 3 698

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und eine Kolbenringanordnung der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß auch bei langanhaltendem Betrieb das Federelement und das Ringelement getrennte Teile bleiben und ihre von vornherein vorgesehenen Funktionen ausüben können, ohne daß die Teile zu einer mehr oder weniger starren Einheit im Laufe des Betriebes zusammengefügt werden. Die neue Kolbenringanordnung soll somit eine bessere Funktion bei langanhaltendem Betrieb zeigen und die anfänglich vorgesehene Elastizität und Vorspannkraft unverändert über lange Zeiten beibehalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das ringförmige Federelement einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und seine beiden radial nach außen weisenden Schenkel in wenigstens eine Ausnehmung des Ringelementes greifen, daß ferner jeder Schenkel aus einzelnen fußartigen Schenkelabschnitten besteht, und daß schließlich die äußere Umfangsbegrenzung Jedes Fußabschnittes nach einem Radius gekrümmt ist, der kleiner als der Krümmungsradius der den Fußabschnitt aufnehmenden Ausnehmung ist.

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Die neue Kolbenringanordnung ist Testprüfungen unterworfen^w°rden, und es hat sich gezeigt, daß der Kolbenring außerordentlich geringe Abnutzungserscheinungen auf den langandauernden Detrieb zeigt, was ein deutliches Anzeichen dafür ist, daß die unabhängige Funktion des Federelementes auch über lange Betriebszeiten wirksam bleibt.

Vorteilhafterweise beträgt der Außenradius jedes Fußabschnittes etwa 50/5 bis etwa 802 des Radius der Ausnehmung.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Fußabschnitte an den beiden Schenkeln des Federelementes in Umfangsrichtung gegeneinander, vorzugsweise über die halbe Ausdehnung eines Fußabschnittes,in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

Die Außenfläche des Ringelementes weist zweckmäßigerweise zwei schmale in gegenseitigem axialem Abstand angeordnete Stegabschnitte als Berührungsfläche mit der Innenfläche der Zylinderwand auf, wobei die Schenkel des U-förmigen Federelementes so angeordnet sind, daß sie im Zusammenwirken mit dem Ringelement in etwa radialer Fluchtung mit den Stegen stehen.

Um die neue Kolbenringanordnung herzustellen, sieht die Erfindung ein Herstellungsverfahren für das Federelement vor, das darin besteht, daß ein langgestreckter ebener Metallstreifen an jeder seiner Längskanten in periodischen Abständen mit Kanteneinschnitten versehen wird, daß darauf der Streifen in

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eine allgemein U-förmige Umrißgestalt verformt wird, daß dann das U-förmig gebildete Element auf einem Dorn eines vorbestimmten kleineren Durchmessers als der Gebrauchsdurchmesser der Außenumfangsfläche des .Federelementes aufgewickelt und die nach außen weisenden Kanten der Schenkel des U-förmigeη Federstreifens auf einen gleichförmigen Umfangsradius bearbeitet werden, worauf das Federelement gestreckt und in den größeren Gebrauchsdurchmesser überführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Fedeiö.ement einer Kolbenringanordnung gemäß der Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform in Seitenansicht, wobei Teile weggebrochen dargestellt sind,

Fig. 2 in etwas größerem Maßstabe eine Draufsicht auf das flache streifenförmige Ausgangsmaterial vor der ersten Verformung ,

Fig. 3 im Querschnitt eine Kolbenringanordnung nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. Ί im senkrechten Schnitt eine Vorrichtung zum Herstellen des Außenradius der einzelnen Fußabschnitte des Federelementes und

Fig. 5 in ähnlicherDarstellung wie Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der neuen Kolbenringanordnung.

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Aus Fie· 3 der Zeichnung ist eine Ausführuncsform der neuen Kolbenringanordnung in grundsätzlichem Aufbau zu ersehen. Die Kolbenringanordnung umfaßt ein Federelement 10, das mit U-förmigem Umriß ausgebildet ist. Die Schenkel des Federelementes greifen dabei in eine allgemein rechteckförmige Ausnehmung oder Tasche 21, die auf der radialen Innenseite des Außenringes 20 angeordnet ist. Das äußere Ringelement 20 kann aus entsprechendem Material und von entsprechender Geometrie ausgebildet sein, je nach den besonderen Anwendungsfällen. Im dargestellten und besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Ringelement 20 abgeschrägte Kantenbereiche 22 auf beiden axialen Umfangsseiten auf. Die abgeschrägten Abschnitte enden in der an der Zylinderinnenwand angreifenden Fläche des Ringes 20 und bilden dort zwei relativ schmale Stege 23» die voneinander durch einen Umfangskanal 2k getrennt sind, der im wesentlichen zentral auf der diametralen Außenfläche des Ringelementes 20 angeordnet ist. Mehrere in Umfang3richtung langgestreckte Schlitze 25 können vorzugsweise in gegenseitigem Abstand um den Ring in das Ringelement eingearbeitet sein, um einen Abflußvreg für das ül eu bieten, das sonst in dem Raum zwischen den beiden Abdichtungistegen 23 eingeschlossen würde.

Vorzugsweise besitzen die Stege 23 in dargestellten Beispiel eine axiale Breite in der Größenordnung τ·η 0,25 bis 0,51 mi. Die Stege 23 stehen dabei, wie dargestellt, berorsugt in allgemeiner radialer Fluchtung mit den Schenkeln des Federe leswnt«· 10. Dadurch wird es möglich, daß die Federkraft jeweils entlang

einer einzigen radialen Linie auf die Stege 23 übertragen wird. Für die Herstellung des Ringelementes 20 wird vorzugsweise Gußeisen verwendet. Die Arbeitsfläche, insbesondere die Stege 23, sind dabei vorzugsweise mit Chrom plattiert, wie dies bekannt ist.

Das Pederelement 10 ist in Fig. 1 in einer Seitenansicht mit Blick in Richtung der Achse des Kolbens gezeigt, wobei Teile des Ringes weggebrochen dargestellt sind. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die beiden Schenkel des U-förmigen Querschnittes des Federelementes 10 jeweils aus einer Vielzahl von einzelnen Fußabschnitten 11 bestehen, welche an ihrer äußeren Urafangsflache 12 eine Krümmung aufweisen. Diese Krümmung ist so gebildet, daß sie zu einer verminderten Abnutzung und zu einer Verminderung der Tendenz führt, daß das Federelement 10 zu einer starren Einheit sich mit dein Ringelement 20 vereinigt. Vorzugsweise ist der Radius der Außenkante 12 jedes Fußabschnittes 11 in der Größenordnung von etwa 50* bis etwa 80% des Gebrauchsradius der Tasche, des Kanals oder der Ausnehmung 21 in dem Ringelement 20.

Fig. 2 zeigt das Federelement 10 in einem Zwischenstadium. Zur Herstellung des Federelementes wird ein flaches Bandmaterial verwendet. Hierbei kann es sich bei Verwendung in Verbindung mit einen Gußeisenring 20, beispielsweise um einen Kohlenstoffstahl, von 0,61 mm Dicke und 8 mm Breite und einer Rockwell 30 N-Härte von etv/a 65 bis 75» vorzugsweise zwischen etwa 68 und 72 handeln.

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Senkrecht zur Längsrichtung des Streifens geführt sind mehrere Einschnitte 13 vorgesehen, die sich jeweils von einer Längskante des Streifens in Richtung auf die Streifenmitte hin zu einer ausgestanzten Öffnung I^ erstrecken. Den Abstand zwischen benachbarten Einschnitten 13 auf der gleichen Längsseite den Streifens liefert die Umfangslfinge der Fußabschnitte U. Diese Länge liegt vorzugsweise zwischen etwa 8O;2 bis etwa 120^ der Streifenbreite. Die Einschnitte 13 auf den sich gegenüberliegenden Längsseiten des Streifens sind gleichförmig in Urnfangsrichtung gegeneinander versetzt, vorzugsweise um die HSIfte der Länge des einzelnen Fußabschnittes, um gleichförmig in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Fußabschnitte 11 auf den beiden Seiten des Federelementes 10 zu bilden, wie dies deutlich aus Fig. 1 hervorgeht. Die ausgestanzten Offnungen l't sind vorzugsweise etwa rechteckig und nehmen etwa 30% bis etwa 50* der Streifenbreite ein. In Längsrichtung des Streifens erstrecken sie sich von etwa 60% bis etwa 100% ihrer Querausdehnung. Die Ausnehmungen l'l sind abwechselnd seitlich gegeneinander versetzt und auf den beiden Seiten der Längsmittellinie des Streifens zentriert, wobei die Mitte der Ausnehmungen jeweils gegenüber der Längsmittellinie des Streifens um etwa 5% bis etwa 10? der Streifenbreite versetzt ist.

Die innenliegenden Ecken der Ausnehmungen 14 sind vorzugsweise durch einen Radius bestimmt, der annähernd gleich der Materialdicke ist. Der Streifen wird anschließend in seine endgültige U-förmige Umrißgestalt geführt, und zwar mit entsprechenden Hilfsmitteln, wobei sich die Ausnehmungen lh jeweils von dem zugehöri-

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gen Schnitt 13 bis in die Basis des U-förrnigen Profils bis hin in den Übergang zum gegenüberliegenden Schenkel erstrecken, wie dies am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Nach der überführung in den U-förmigen Umriß wird das Federelement bearbeitet, um die mit dem gewünschten Radius versehene Umfangskante 12 der Schenkel oder Fußabschnitte 11 herzustellen. Ein Verfahren zur Herstellung dieees Krümmungsradius ist schematisch in Fig. Ί angedeutet. Nach diesem Verfahren wird das in die U-fömige Umrißgestalt überführte Federelement 10 in Form eines kontinuierlichen Streifens von im wesentlichen unbegrenzter Länge auf einem zylindrischen Element 15, das als Dorn dient, abgestützt und durch entsprechende nicht dargestellte Einrichtungen relativ zu einer Schleifscheibe 16 rotiert, die selbst auf der Welle 17 umläuft. Es ist wohl offenbar, daß der Radius an der Umfangskante 12 gleich dem Radius des Domes 15 plu· der radialen Höhe des Federelementes 10 auf dem Dorn ist. Wie Buvor erwähnt, steht der Radius der Krümmung der Umfange- kante 12 in bevorzugter Beziehung zu dem Radius des Ringes 20, mit dem das Federelement verwendet wird.

Ein· abgewandelte Au·führung·form der Kolbenringanordnung ist in Fig. 5 geceigt. Dl··· Ausführung·form wird bevoreugt in Anwendung·fällen eingeeetct, bei denen «in schmaler ölring benötigt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine als Abstandeelement und als Vorspannelement dienende Feder 10*

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vorgesehen, die identisch mit der zuvor beschriebenen Feder 10 ausgebildet sein kann. Der Ring 20* ist allgemein ähnlich dem oben beschriebenen Ring. Er umfaßt Abschrägungen 22·, Stegflächen 23'» einen zwischen den Stegen angeordneten Ringkanal 24' sowie Schlitze 25*. Der Ring ist jedoch in axialer Richtung schmaler und umfaßt zwei Ausnehmungen oder Nuten 21', die durch eine radial innere Rippe 26 voneinander getrennt sind. Die Stege 23* liegen auch hier allgemein in radialerPluchtung mit dem Pußabechnitt 11* des Federelementes aus den obengenannten Gründen.

Eine Ringanordnung gemäß der Erfindung ist getestet worden, und es wurde festgestellt, daß diese sich gegenüber ähnlichen Ringen Üblicher Ausbildung als überlegen erwiesen hat. Insbesondere liefert die neue Kolbenringanordnung einen Vorteil durch im wesentlichen verminderte Abnutzung zwischen dem Ring 20 und dem Federelement 10. Dies wiederum bedeutet, daß eine Ringanordnung gemäß der Erfindung eine längere Lebenszeit hat, bevor die Wirksamkeit des Ringes durch Obergang zu einer Einheit aus Ring und Feder beeinträchtigt wird.

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Claims

Ansprüche

1.) Kolbenringanordnung für Brennkraftmaschinen oder dgl., bestehend aus einem äußeren Ringelement, dessen äußere Unfangsflache abdichtend und gleitend mit der Zylinderinnenwand zusammen wirkt, und einem als Abstandshalter und Vorspanneinrichtung dienenden Federelement, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Federelercent (10,10') einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und seine beiden radial nach außen weisenden Schenkel (11,11·) in wenigstens eine Ausnehmung (21,21·) des Ringelementes (20,20·) greifen, daß jeder Schenkel aus einzelnen fußartigen Schenkelabschnitten (11) besteht, und daß die äußere Umfangsbegrenzung (12) jedes Fußabschnittes nach einem Radius gekrümmt ist, der kleiner als der Krümmungsradius der Ausnehmung (21,21·) ist.

2. Kolbenringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze i chnet, daß der Radius des Fußabschnittes zwischen etwa 50% und etwa 80ß des Radius der Ausnehmung (21, 21·) beträgt.

3. Kolbenringanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußabschnitte (11) auf entgegengesetzten Seiten des U-förmigen Federelementes in Umfangs

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ORIGINAL INSPECTED

richtung gegeneinander, vorzugsweise über die Hälfte der linfangsf lache eines FuÄabschnittes, versetzt angeordnet sind.

'I. Xolbenringanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Außenringes (20) von zwei im Vergleich zur Ringbreite schmalen Stegen (23)23') gebildet ist, die mit der zylindrischen Innenwand zusammenwirken, und daß die Fußabschnitte (11) des Federelementes (10) in radialer Fluchtung mit den Stegen (23,23') stehen.

5. Kolbenringanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (21) als eine,in axialer Richtung gesehen, zentrale Hut an der radial nach innen weisenden Fläche des äußeren Ringes (20) vorgesehen ist.

6. Kolbenringanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring (20^f) zv/ei in axialer Richtung im Abstand angeordnete Nuten (21') aufweist, von denen jede einen Schenkel des Federelementes (10') aufnimmt.

7. Verfahren zun Herstellen eines Federelementes für eine KoI-benringanordnun^ nach Anspruch 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß man in einen langgestreckten flachen Ausgangsstreifen Ausnehmungen und von

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den beiden Längskanten ausgehende Einschnitte einstanzt und den Streifen dann zu einem etva U-förmigen Querschnitt umformt, worauf man den umgeformten Streifen auf einen Dorn von kleinerem Durchmesser als die lichte Weite des Federelementes in dessen Gebrauchsstellung aufwickelt, die nach außen weisenden freien Schenkelenden auf einen gemeinsamen Durchmesser bearbeitet und dann das Federelement in die Gebrauchsform überführt.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß man die Kanteneinschnitte an den beiden Längskanten gegeneinander in Längsrichtung ^e s Streifensversetzt.

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