DE2803568C3

DE2803568C3 - Auf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil mit einer Beschichtung der Lauffläche in ein - oder beidseitig gekammerter Ausführung

Info

Publication number: DE2803568C3
Application number: DE19782803568
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. Beyer; Ulrich Dipl.-Ing. Buran
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1980-12-11
Also published as: DE2803568B2; DE2803568A1

Description

Die Hauptpatentanmeldung heu ;fft ein auf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil, wie insbesondere einen Kolbenring oder ein- Dichtleiste einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Beschichtung der Lauffläche in ein- oder beidseitig gekammerter Ausführung, bei der Schichtwerkstoff und innere Kammerwand zueinander bindungsfrei sind.

Auf Verschleiß beanspruchte Maschinenteile, wie insbesondere Kolbenringe oder Dichtleisten von Verbrennungskraftmaschinen, die hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, werden bekanntlich vor allem zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit, ihrer Brandspursicherheit und ihrer Gleiteigenschaften mit Beschichtungen an ihren Laufflächen versehen. Vorzugsweise werden diese Schichten galvanisch oder durch thermische Spritzverfahren aufgetragen, und als thermische Spritzschichten haben sich Überzüge aus Molybdän oder Molybdänlegierungen besonders bewährt.

Thermische Spritzschichten haben jedoch relativ spröde und brüchige äußere Kanten, so daß diese auch fertigungstechnisch bedingt abgeschrägt werden. Dadurch fehlt ihnen eine äußere scharfe Kante, die eng an der Cegenfläche anliegt, so daß gerade den obersten Kompressionsringen in Verbrennungskraftmaschinen eine ölabstreifende Wirkung fehlt. Gleichzeitig kann es dort zu Leistungsverlusten durch Abgasleckagen, dem sogenannten Blow-By, kommen. Zur Abhilfe werden daher bekanntlich in den Grundwerkstoff der Laufflächen Ausnehmungen oder Nuten eingearbeitet, die dann mit dem Schichtwerkstoff ausgefüllt werden. Je nachdem, ob nur an einer äußeren Kante ein Steg des Grundwerkstoffes oder an beiden äußeren Kanten je ein Steg des Grundwerkstoffes belassen wurden, spricht man von Beschichtungen in ein- oder beidseitig geklammerter Ausführung.

In anderen Fällen werden auch mehrere parallellaufende Nuten in den Grundwerkstoff eingearbeitet, die dann mit dem Schichtwerkstoff ausgefüllt werden.

Die so beschichteten Maschinenteile besitzen zwar scharfe äußere Kanten mit guter ölabstreif- und Abdichtwirkung bei gleichzeitig guten Laufeigenschaften, aber insbesondere bei den hohen thermischen und mechanischen Belastungen der Kompressionsringe können im Bereich der Kammerstege Risse euweder

Ό im Schichtwerkstoff selbst oder zwischen Schichtwerkstoff und Grundwerkstoff entstehen, die bis in den Schichtgrund hinunter und von dort entlang der Schichtlamellen und dann abknickend nach oben bis zur Lauffläche verlaufen können. Je nach Laufzeit oder Belastung können ganze Schichtbereiche ausbrechen, die dann das vollständige Versagen der Maschinen verursachen können.

Bekanntlich ist insbesondere die Festigkeit von thermischen Spritzschichten und ihre Haftung am

Grundwerkstoff nicht sonderlich hoch. Es wurde daher zunächst zur Abhilfe des oben geschilderten Problemes versucht, Festigkeiten und Haftung der Schichtwerkstoffe durch Verbesserung der Auftragsbedingungen und Spritzpulverzusammensetzungen zu erhöhen. Mit erheblichem, technischem Aufwand wurden zwar Schichten mit verbesserter Festigkeit und Haftung entwickelt, es kam Jedoch trotzdem noch zu Ausbrüchen der Schichten, und im Prinzip wurde sogar eine Vermehrung der Schichtausbrüche festgestellt.

Nach der Hauptpatentanmeldung ist daher vorgeschlagen worden, die innere Kammerwand und den Schichtwerkstoff bindungsfrei zueinander herzustellen. Und zwar besteht dann zwischen den Kammerwänden aus dem Kolbenringgrundwerkstoff und dem Schicht werkstoff zumindest ein feiner Spalt, vorzugsweise aber eine größere Kerbe, die entweder in einem angeschlossenen Verfahrensschritt oder direkt beim Auftragen der Spritzschicht hergestellt ist. Gegebenenfalls können die Spalte oder die Kerben von galvanischen Zwischen schichten oder vorzugsweise von speziellen Kunsthar zen ausgefüllt sein. Durch dieses bindungsfreie Nebeneinanderstehen der beiden Werkstoffe ergeben sich auch bei hoher thermischer und mechanischer Belastung keine Spannungen an den Grenzzonen, die zu Rissen und nachfolgenden Ausbrüchen der Schichtwerkstoffe führen.

Ferner ist es auch bekannt, Laufflächen von Kolbenringen mit verschiedenen Oberzugsschichten so zu überziehen, daß beide Schichtwerkstoffe nebenein-

5C ander zum Tragen kommen. So besitzt der Kolbenring nach der DE-PS 17 51 573 auf seiner Laufflächenseite einen etwa auf halber Höhe des Ringes umlaufenden Steg und eine ganzflächige Chromschicht. Die dem Steg benachbarten Laufflächenbereiche sind dann zusätzlich mit Molybdän beschichtet. Die Lauffläche des Kolbenringes nach der DE-PS 20 36 495 ist mit einer Nut versehen, die mit einem relativ weichen Gleitmittel ausgefüllt ist, während die der Nut benachbarten Laufflächenbereiche einen harten galvanischen Über-

eo zug tragen. In diesem Fall aber bleiben die äußeren

Kanten der Schichten weiterhin relativ spröde und

brüchig, oder es fehlt ihnen eine scharfe äußere Kante mit ölabstreifcnder Wirkung.

Ebenso sind nach der CH-PS 2 66 960 lamellenförmi-

ge Stützringe aus Metall an den Kanten von Dichtringen schon bekannt. In diesem Fall ist der Dichtring aber aus Gummi oder Kunststoff, und die Lamellenringe sollen ein Verquetschen des Dichtwerkstoffes in den Dicht-

spalt bei Hydraulik- oder Pneumatikkolben in vor allem Pumpen verhindern. Spritzschichten auf metallischen Kolbenringen in Verbrennungskraftmaschinen sollen auf diese Weise jedoch nicht geschützt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Zusatzpatentanmeldung, zur Aufgabenstellung des Hauptpatentes eine weitere einfache und gegebenenfalls kostengünstigere Lösung für ein suf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil, und zwar insbesondere für einen Kolbenring einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer vorzugsweise thermischen Spritzschicht in ein- oder beidseitig geklammerter Ausführung, zu schaffen, bei dem das Ausbrechen der Schichtwerkstoffe nicht mehr erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Kolbenring mit Spritzschicht in überspritzter Form und abgeschrägten Kanten ein- oder beidseitig Lamellcnringe von geringer axialer Höhe, vorzugsweise aus Stahl, zugeordnet werden. Dabei können die Lamellenringe die gleiche radiale Wandstärke sein und sitzen dann in einer Ausnehmung auf den Kolbenringflanken auf. Nach Einbau in die Kolbennut lie-ren dann die Laufflächen der Lamellenringe und des überspritzten Kolbenringes gemeinsam an der Zylinderlauffläche an. Gegebenenfalls können die Lamellenringe vorzugsweise durch Löten, Nieten oder Kleben mit den Flanken des überspritzten Ringes fest verbunden sein. Vorzugsweise sind dann die Ringe um meist etwa 30 bis 60° stoßversetzt aneinander befestigt, so daß ein Gesamtring mit gasdichtem Stoß entsteht.

Nach dem bisher bekannten Stand der Technik werden Kolbenringe aus Gußeisen mit vorzugsweise an der Brennraumseite angeordneten Stahllamellenringen kombiniert Nach beispielsweise der US-PS 26 09 260 sind die Stahllamellenringe spiralförmig gewunden und drücken aufgrund ihrer federnden Wirkung den Gußeisenring Fest an die Nutflanken im Kolben an. Nach der US-PS 27 46 820 ist der Gußeisenring als Minutenring ausgestaltet dessen scharfe Kante Öl abstreift, wehrend der Stahllamellenring den Stoß des Gußeisenringes überlappt

Gemäß unserer Erfindung werden jedoch Lamellenringe mit überspritzten Kolbenringen kombiniert. Die Kanten der Spritzschichten werden durch die vorgelagerten Lamellenringe wirkungsvoll mechanisch geschützt Gleichzeitig ist wie im Harptpatent ein ein- oder beidseitig gekammerter Kolbenring mit Spritzschicht entstanden, bei dem Kammerwandung und Schichtwerkstoff voneinander getrennt sind. Im Motorenbetrieb kommen die Vorzüge des Schichtwerkstoffes zur Geltung, ohne daß durch thermische oder mechanische Spannungen Schichtausbrüche entstehen, die zum Versagen der Verbrennungskraftmaschinen führen. Gleichzeitig wirken die Stahllamellenringe in an sich bekannter Weise zum ölabstreifen und Abdichten oder gegebenenfalls in spiralig gewundener Form als Federring, so daß auch Leistungsverluste durch

ίο Abgasleckagen verhindert werden.

Eine weitere Lösung des Problemes kann erzielt werden, wenn die Kammerstege des ein- oder beidseitig gekammerten Ringes auch der Hauptpatentanmeldung nach dem Ausspritzen der Kammern in axialer Richtung nach innen gedrückt werden. Der Schichtwerkstoff erhält eine Druckvorspannung, die sich dann bei der Betriebstemperatur des Motors abbaut, da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gußeisens gegenüber beispielsweise dem Molybdän als Spritzwerkstoff etwa doppelt so groß ist Bei etwa einem Zusammendrücken der Schicht um je etwa 10 bis 20% seixer axialen Breite kommt es selbst bei Bindung von Schiciitwerkstoff an die Kammerwandung nicht mehr zu Zugbelastung im Motorbetrieb, und Risse und Ausbrüche des Schicht-Werkstoffes werden vermieden.

Die Erfindung sei anhand zweier Abbildungen näher erläutert Und zwar zeigt

F i g. 1 den Querschnitt durch einen überspritzten Kompressionsring mit einem zur Brennraumseite vorgelagerten Stahllamellenring

Fig.2 den Querschnitt durch einen überspritzten Kompressionsring mit an beiden Flanken aufsitzenden Stahllamellenringen.

In F i g. 1 ist 1 der überspritzte Kompressionsring mit einer Spritzschicht 2 auf der Lauffläche, deren Kanten 3, 4 abgeschrägt sind. Die dem Brennraum zugewandte Flanke 5 ist von einem Stahllamellenring 6 von gleicher radialer Wandstärke wie der Kompressionsring 1 geschützt so daß die Spritzschicht 2 sich in einer Kammer 17 befindet.

In F i g. 2 ist 7 ein überspritzter Kompressionsring mit Spritzschicht 8 und abgeschrägten Kanten 9, 10. Die beiden Flanken 11, 12 des Kompressionsringes 7 enthalten beidseitig je eine Ausnehmung 13, 14, auf denen beidseitig je ein Stahllamellenring 15,16 aufsitzt. Die Stahllamellenringe 15,16 bilden dann die Kammer 17 für die Spritzschicht 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Auf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil, wie insbesondere ein Kolbenring oder eine Dichtleiste einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Beschichtung der Lauffläche in ein- oder beidseitig geklammerter Ausführung, bei der Schichtwerkstoff und innere Kammerwand zueinander bindungsfrei sind, nach Patentanmeldung P 27 28 725.8-12, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Kammerwände aus aufgelegten Lamellen (6,14,15) gebildet sind.

2. Auf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgelegten Stahllamellenringe (6) die gleiche radiale Wandstärke wie die Kolbenringe (1) besitzen.

3. Auf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgelegten Stahllamellen (6, 15, 16) durch Löten, Kleben, Schweißen oder Nieten fest mit den Flankenflächen (U, 12) verbunden sind.

4. Auf reibenden Verschleiß beanspruchtes Maschinenteil nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im Bereich der Kammer (17) ein- oder beidseitig nach dem Ausspritzen der Kammern in axialer Richtung nach innen gedrückt sind.