DE2811528A1

DE2811528A1 - Kolben und kolbenring fuer kolbenmaschinen, insbesondere brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2811528A1
Application number: DE19782811528
Authority: DE
Inventors: Robert L Sharpe
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1978-09-21
Also published as: ES245900Y; AR216136A1; AU518994B2; GB1586906A; FR2384177A1; MX146871A; JPS53117156A; US4123072A; DE2811528B2; SE7803092L; FR2384177B1; IN149502B; ES474064A1; IT7848443A0; ES245900U; AU3359178A; BR7801530A; SE434772B; IT1105479B; CA1084548A

Description

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I I I 0 Z ο

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

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

DANA Corporation Post O.Box 1000 Toledo Ohio 43697/USA

"Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraft mas chinen"

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bekannt, daß Kolbenringe der in Frage stehenden Art dazu dienen, den Spalt zwischen einem Kolben und einer zugehörigen Auskleidung eines Zylinders abzudichten, um zu verhindern, daß unter hohem Druck stehende Verbrennungsgase oder unter Druck stehende Luft entlang der Auskleidung während des Kompressionsoder Krafthubes entweicht. Außerdem soll Wärmeenergie vom Kolben auf die gekühlte Zylinderauskleidung über den Ring übertragen werden. Schließlich hat der Ring die Aufgabe, einen bestimmten Anteil der Fluktuationen der Kolbenseitendrücke zu absorbieren.

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Einige Brennkraftmaschinen haben Druckringe, deren Bodenwand oder auch die Bodenwand und die obere Wand abgeschrägt sind, so daß der Ring an seiner radialen inneren Seite dünner ist als an der radial äußeren Seite. Die zugehörige Nut in dem Kolben zur Aufnahme des Ringes wird in der gleichen allgemeinen Querschnittsform ausgearbeitet. Der Gasdruck, der auf die Oberseite des Ringes wirkt, produziert aufgrund der Neigung der Bodenwand eine zusätzliche Kraft, welche den Ring nach außen gegen die Zylinderwand drückt. Dadurch erfolgt eine Unterstützung bezüglich der gewünschten Abdichtung.

Auf der anderen Seite gleitet der Ring bei jeder Umkehr der Seitendrücke des Kolbens geringfügig in die zugehörige Nut und wird dabei gegen die obere Nutenseitenwand gedrückt, wodurch Kohlenstoff an dieser Seitenwand zerdrückt wird, was dazu beiträgt, den Ring gegen ein Festfressen zu schützen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben mit Kolbenring für Druckmittelsysteme zu schaffen, bei dem die Abdichtungswirkung des Ringes und des zugehörigen Kolbens zur Herstellung einer gasdichten Abdichtung verbessert wird, so daß besser als bisher verhin-dert wird, daß beispielsweise Verbrennungsgase in einer Brennkraftmaschine in das Kurbelwellengehäuse gelangt bzw. öl in überschüssigen Mengen in die Verbrennungskammer eintritt.

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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst.

Mit der Erfindung wird eine Kolbenringausbildung vorgeschlagen, bei der zwischen dem Kolbenring und der Umfangsnut in dem zugehörigen Kolben ein linienförmiger Kontakt erzwungen wird, der verhindert, daß Verbrennungsgase einer Brennkraftmaschine in das Kurbelgehäuse gelangen oder das öl in nennenswerten Mengen in die Brennkammer eintritt.

Dabei ist die Ausbildung so getroffen, daß die für den linienförmigen Kontakt erforderliche gekrümmte Querschnittsgestalt der radial nach innen geneigten oder konvergierenden Seitenwand leicht und billig hergestellt werden kann.

Zu diesem Zweck ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem das Herstellen eines solchen Kolbenringes vereinfacht wird.

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

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Kolbenringes mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung;

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Pig. 2 eine Seitenansicht des Kolbenringes nach Fig. 1;

Fig. 3 in größerem Maßstabe einen Querschnitt durch den Kolbenring nach Fig. 1, wobei der Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 1 geführt ist;

Fig. 4 in weiter vergrößertem Maßstabe und im Ausschnitt einen Kolbenring nach Fig. 1 und 2 in seiner Gebrauchsstellung innerhalb der Nut eines zugehörigen Kolbens;

Fig. 5 in schematischer Darstellung ein System zur Herstellung der gewünschten Querschnittsform der oberen oder unteren Wand des Kolbenringes nach Fig. 1 bis 4 und

Fig. 6 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 4.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kolbenringe, welche sich selbst spannende ringförmige Metallstücke sind, die in einer Nut eines Kolbens angeordnet werden, um eine bewegliche Abdichtung zwischen der Brennkammer und dem Kurbelgehäuse einer inneren Brennkraftmaschine zu liefern.

Das für die Herstellung von Kolbenringe benötigte Metall muß eine Anzahl von Anforderungen erfüllen. Das Metall muß ein gutes Lagermaterial haben und eine geringe Abnutzungsgeschwindigkeit

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besitzen. In bestimmten Anwendungsfällen muß das Material des Ringes mit einem Material überzogen werden, das solche Eigenschaften besitzt. Außerdem sollte das Metall ausreichend hart und von ausreichend hoher Festigkeit sein. Es soll aber auch leicht bearbeitet werden können. Es muß ein gutes Federmaterial sein und einen Widerstand gegen Ermüdung besitzen. Die Ringmaterialien müssen für den Betrieb unter Grenzschmierbedingungen und unter gleichzeitig hoher Belastung geeignet sein. Das Metall muß im wesentlichen seine mechanische Festigkeit beibehalten während es bei erhöhten Temperaturen und Drücken in der zugehörigen Maschine eingesetzt ist. Auch sollten die heißen korrosionsträchtigen Verbrennungsprodukte keinen extrem nachteiligen Effekt auf die Abnutzungsqualität und die Eigenschaften des Metalles der Ringe besitzen.

Um die Abnutzung der Kolbenringe zu vermindern und die gewünschten Eigenschaften herzustellen, sind eine Reihe von Überzügen und Plattierungen bekannt.

Einige Typen von speziellen Oberflächenschichten, z. B. eine dünne Lageroberfläche aus einem die Reibung herabsetzenden Metall oder eine chemische Behandlung, erleichtern das Einlaufen oder Setzen der neuen Ringe. Solche Oberflächenbehandlungen oder -Schichten können feine Oberflächenrauhigkeiten an den Ringen und den zugehörigen Zylinderauskleidungen erzeugen, die allmählich abgearbeitet werden, so daß ein guter Flächenkontakt ohne über-

mäßige Reibung erreicht wird, welche sonst ein Festfressen oder das Erzeugen von Krantzern verursachen würde. Alle diese verschiedenen wünschenswerten Eigenschaften des Materials der Kolbenringe wirken zusammen, um zu ermöglichen, daß die Kolbenringe eine im Betrieb bewegliche wirksame Dichtung gewährleisten, welche verhindert, daß Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse austreten bzw. öl in überschüssigen Mengen in die Brennkammer gelangen kann. Diese doppelte Punktion hat über Jahre zur Entwicklung von zwei Grundtypen für Kolbenringe geführt, und zwar Drukringe und ölringe. Innerhalb dieser breiten Kategorie sind hunderte von verschiedenen Gestaltungsvariationen entwickelt worden. Typischerweise werden Ringe von geeigneter Gestaltung in Sätzen kombiniert, um die besten und optimalen Wirkungen für jede Maschine unter allen Arbeitsbedingungen zu erhalten.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird ein Kolbenring 10 beschrieben, der die Merkmale nach der vorliegenden Erfindung besitzt. Der Kolbenring ist bei 12 geschlitzt. Der Ring 10 wird typischerweise als sog. Keystone-Typ bezeichnet. Er weist eine äußere Umfangswand 14, die häufig als die Kolbenring-Oberfläche bezeichnet wird, auf. Weiterhin weist er radial nach innen konvergierende oder geneigte obere Seitenwand 16 und eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 18 auf. Die innere Umfangswand ist mit 20 bezeichnet. Die obere Seitenwand 16 und die untere Wand 18 sind so ausgebildet, daß sie jeweils eine geringfügig konkave Querschnittsgestalt annehmen, wie dies noch deut-

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licher aus Pig. 4 hervorgeht, in der der Kolbenring 10 in seiner Arbeitsstellung in einer Nut 22 gezeigt ist, die in der Umfangswand eines zugehörigen Kolbens 24 eingearbeitet ist. Die Nut 22 wird durch eine radial nach innen konvergierende obere Seitenwand 26 und eine radialhach innen konvergierende Bodenwand 28 sowie eine Innenwand 30 begrenzt. Der Kolben 24 ist geeignet, innerhalb eines Zylinders hin- und herbewegt zu werden, der durch die Zylinderwand 32 angedeutet ist. Der Durchmesser des Ringes 10 im entspannten Zustand ist typischerweise geringfügig größer als die lichte Weite der Zylinderbohrung. Wenn folglich der Ring in den Zylinder gedrückt wird, preßt er sich gegen die Zylinderwand 32 der Maschine an und neigt dazu, eine Dichtung herzustellen. Diese, anfängliche Dichtungswirkung wird wesentlich im Betrieb durch die Drücke unterstützt oder verbessert, die während des Druckhubes oder Krafthubes von der Maschine ausgeübt werden, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist (wobei in Fig. 4 die vorhandenen Spalte zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt sind). Der Druck der komprimierten Luft oder der komprimierten Gase gegen die Oberfläche 16 des Ringes 10 preßt den Ring nach unten auf die untere Seitenwand 28 der Umfangsnut 22 des zugehörigen Kolbens Dadurch erhält man eine nockenartige Wirkung, aufgrund welcher der Ring 10 radial nach außen gedrückt wird. Dies führt zu einem Spalt an der Oberseite 16 des Ringes. Dieser Spalt läßt den Gasdruck auf die Rückseite 20 des Ringes einwirken. Dieser auf die Rückwand 20 einwirkende Druck treibt zusätzlich den Ring nach außen in festeren Kontakt mitder Zylinderwand 32. Wenn nur ge-

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ringer oder kein Gasdruck abgedichtet werden muß, ist der Ring in seiner Nut 22 mit Spiel frei und seine eigene Spannung erzeugt nur einen geringen Druck gegen die Zylinderwand 32. Die Reibung und die Abnutzung sind in dieser Phase stark herabgesetzt. Wenn jedoch der Gasdruck ansteigt, wird der Ring um so fester sowohl gegen die Zylinderwand 32 als auch gegen die Kolbennutwand 22 gedrückt, was zu einer Verbesserung der Abdichtung und zur Verminderung des Ausleckens führt. Man erhält somit eine effektivere und gegen Verschmutzung freie Maschine.

Es wurde festgestellt, daß die gekrümmte Querschnittsgestalt der oberen Seitenwand 16 und der unteren Wand 18 des Ringes 10 einen im Betrieb wirksameren Kolbenring schafft, der verbesserte Abdichtungseigenschaften und damit eine verbesserte Arbeitscharakteristik für die Maschine liefert. Aufgrund der gekrümmten Gestalt der oberen und unteren Seitenwände des Kolbenringes erhält man einen linienförmigen Kontakt zwischen einer der nach innen konvergierenden oberen oder unteren Wände des Kolbenringes und der dieser Wand gegenüberliegenden Wand der Nut.

Fig. k zeigt insbesondere den Kolben und Kolbenring während eines Druckhubes der Maschine. Der Druck der Verbrennungsgase wird augenblicklich auf die Oberseite 16 und die Rückwand 20 des Kolbenringes wirksam und liefert eine nach außen gerichtete Druckkomponente, die dazu neigt, die Ringfläche 14 in abdichtende Berührung mit der Zylinderwand 32 zu halten. Es ist ersichtlich, daß

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da die von oben kommenden Kräfte auf den Ring 10 wirken, die untere Wand 18 des Ringes dazu neigt, nockenartig nach außen entlang der geneigten Wand 28 der Nut 22 zu wandern. Es wurde festgestellt, daß diese Wirkung dazu neigt, eine abdichtende Wirkung zu schaffen und aufrechtzuerhalten, und zwar zwischen der Ringfläche Ik und der Zylinderwarid 32. Da zu dieser Zeit gleichzeitig die untere Fläche 18 des Ringes in linienförmiger Kontaktberührung mit der unteren Fläche 28 der Nut 22 steht, und zwar an der unteren Kante der Wand 20 des Ringes, wie dies bei A angedeutet ist sowie an der äußeren Kante der unteren Wand 28 der Nut 22, wie dies bei B angedeutet ist, so daß die senkrechten Kräfte dazu neigen, den Ring in abdichtende Beziehung mit der Nut 22 zu bringen, wobei diese Abdichtungskräfte konzentriert sind an den Kontaktlinien A und B. Es wurde festgestellt, daß selbst bei der Einlaufperiode von neuen Ringen die dargestellte Gestaltung zur verbesserten Arbeitscharakteristik führt. Insbesondere läßt sich der Ölverbrauch sowie die Menge der entweichenden Gase wesentlich herabsetzen, und zwar durch Verwendung von Kolbenringen, die nach der obigen Beschreibung hergestellt sind.

Die Technik zum Fertigstellen der oberen Wand 16 und der Bodenwand 18 des Ringes 10 wird mit einer Vorrichtung bewerkstelligt, die schematsich in Fig. 5 dargestellt ist. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen auf einer rotierenden Lapp-Kugel 40, deren Umfangsflache mit Schleifpartikelchen überzogen ist. Der Kolben-

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ring 10, der fertiggestellt werden soll, wird in entsprechender Weise in einer ringförmigen Halterung 42 unterstützt. Eine scheibenförmige Niederhalterplatte oder Andruckplatte 44 mit einem Durchmesser geringfügig größer als der Innendurchmesser der Halterung 42 dient dazu, um einen im wesentlichen gleichförmigen nach unten gerichteten Druck auf die obere Seitenwand des Ringes 10 auszuüben, um die Bodenseitenwand des Ringes in innigem Kontakt mit der kugelförmigen Umfangsfläche der Lapp-Kugel 40 zu bringen. Wenn die Lapp-Kugel 40 um ihre Achse oder die Achse des Ringes rotiert wird, schaffen die Schleifpartikelchen auf deren Oberfläche eine konkave Fläche auf der Bodenseitenwand 18 des festgehaltenen Ringes 10. Wenn die gewünschte Oberflächengestalt und Glätte erreicht sind, wird der Ring umgedreht, so daß die entgegengesetzte Seitenwand 16 nunmehr in Kontakt mit der kugelförmigen Schleiffläche gebracht wird, um auch dort die gewünschte konkave Gestalt zu erzielen. Um den Radius der Lapp-Kugel bestimmen zu können, der verwendet werden muß für einen vorgegebenen Ring, kann die folgende Bestimmungsmethode mit Erfolg angewendet werden:

und ©

180 - 90 - ⁰^ = 90

A/R or R = A/Sin 0

A/Sia ©

Ringdurchmesser - Ringwandung

2 dem Keystonewinkel

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- X

Die Pig. 6 zeigt eine Ausfuhrungsform der Erfindung ähnlich der wie sie in der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5 dargestellt ist, jedoch weist der Kolbenring 10' nur eine radial nach innen konvergierende Seitenwand auf. In dieser besonderen Ausführungsform nach Fig. 6 ist die obere Seitenwand 16' flach und allgemein senkrecht zur Ringfläche 14'. Der Ring 10 weist eine rückwärtige Wand 20', die allgemein parallel zur Ringfläche 14' verläuft, sowie eine nach innen konvergierende Bodenwand 18' auf. Die zugehörige Nut 22* des Kolbens 24' weist eine Innengestaltung ähnlich dem Querschnitt des Ringes 10'auf. Insbesondere umfaßt die Nut 22' eine obere Seitenwand 26', die allgemein flach ist, eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 28' und eine flache rückwärtige Wand 30'. Wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Abdichtungswirkung des Kolbenringes 10' im Betrieb verbessert, und zwar durch den Druck der Maschinengase. Während des Druckhubes drücken beispielsweise die komprimierten Gase gegen die obere Wand 16' des Ringes 10· und zwingen den Ring nach unten gegen die Wand 28' der Nut 22' des Kolbens 24'. Damit wird der Ring 10' nockenartig radial nach außen geschoben. Diese Wirkung führt zu einem Spalt an der Oberseite 16' des Ringes 10', so daß der Gasdruck nun auch an die rückwärtige Wand 20' gelangen kann, um zusätzlichen Druck gegen den Ring 10' auszuüben, um diesen nach außen gegen die Zylinderwand 32' zu expandieren.

Wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel werden die verbesserten Dichtungseigenschaften und Betriebseigenschaften aufgrund der ge-

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krümmten Gestaltung der Bodenwand 18' erreicht. Der dadurch bedingte linienförmige Kontakt zwischen dem gekrümmten Boden 18' des Ringes 10' und der Bodenwand 18* der zugehörigen Nut 22', wie dies bei A¹ und B' in Fig. 6 gezeigt ist, führt zu wesentlich verbesserten Betriebseigenschaften. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das jedoch nicht so sehr bevorzugt wird wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel, umfaßt eine Kolbenringausbildung mit wenigstens einer radial nach innen konvergierenden Wand mit einer geringfügig konvex gekrümmten Ge-stalt. Die zugehörige Nut des Kolbens ist geeignet, um den _Ring aufzunehmen und wird durch eine radial nach innen konvergierende der konvexen Begrenzungsfläche des Ringes gegenüberliegende Wand begrenzt.

Wie in den zuvor beschriebenen Beispielen wird die Abdichtungswirkung des Kolbenringes aufgrund der gekrümmten Gestalt der Ringoberfläche in Kontakt mit der zugehörigen Nutoberfläche erreicht.

Wie beschrieben in bezug auf jedes der Ausführungsbeispiele der Erfindung führt die neue Gestaltung des Kolbenringes zu einem linienförmigen Kontakt zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen des Kolbenringes und der zugehörigen Nut in dem Kolben. Die Kotaktlinien sind vorzugsweise radial im gegenseitigen Abstand angeordnet. Typischerweise sind sie über einen wesentlichen Abschnitt der gesamten Breite der oberen und unteren Abdichtungsflächen des Kolbenringes im gegenseitigen Abstand angeordnet.

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Es ist ersichtlich, daß im Betrieb die Kräfte, die gegen die eine Ringfläche durch die Verbrennungsgase ausgeübt werden, beispielsweise praktisch an den entgegengesetzten Oberflächen des Ringes konzentriert werden und in konzentrierter Form auf die angrenzende Nutoberfläche übertragen werden, und zwar entlang der beiden im gegenseitigen Abstand angeordneten Kontaktlinien, wie dies ganz deutlich aus den Fig. 4 und 6 hervorgeht.

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eerse ι t e

Claims

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

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

Ansprüche

( 1.J Kolben und Kolbenring für Kolbenmas chmen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei denen die axiale Dicke des Kolbenringes in Bereichen von kleinerem Durchmesser geringer als in Bereichen von größerem Durchmesser ist und der Ring und die Ringnut des Kolbens jeweils wenigstens eine radial nach innen konvergierende Seitenwand aufweist , dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der jeweils einander zugewandten konvergierenden Seitenwände (26, 16 bzw. 28, 18) der Rignut bzw. des lose in dieser aufgenommenen Kolbenringes (10) über einen größeren Abschnitt der Ausdehnung der Seitenwand derart gekrümmt ausgebildet ist, daß zwischen den einander zugewandten Seitenwänden eine linienförmige Kontaktmöglichkeit (AB) besteht.
2. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittskrümmung der betreffenden Seitenwand konkav ist.
3. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die radial nach innen konvergierende Seitenwand des Kolbenringes (10) im Querschnitt gekrümmt ist.

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4. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 3 _s dadurch gekennzeichnet , daß der gekrümmte Querschnitt der Seitenwand des Kolbenringes konkav ist.
5. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , daß der linienförmige Kontakt der zusammenwirkenden Seitenwände auf zwei im gegenseitigen Abstand liegende Kontaktlinien (A B) beschränkt ist.
6. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktlinien allgemein ringförmig verlaufen und in radialem gegenseitigem Abstand angeordnet sind.
7. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , daß die Umfangsnut in dem Kolben zwei radial nach innen konvergierende Seitenwände aufweist, die sich gegenüberliegen, und der Kolbenring zwei nach innen konvergierende Seitenwände aufweist, die jeweils mit der einen Seitenwand der Nut des Kolbens zusammenwirken.
8. Kolbenring zur Aufnahme in die ringförmige Nut eines zugehörigen Kolbens für Kolbenmaschinen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (16) geschlitzt ausgebildet ist (12) und wenigstens eine nach innen konvergierende Seitenwand aufweist, die über einen

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größeren Bereich einen gekrümmten Querschnitt aufweist.
9. Kolbenring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der gekrümmte Querschnittsbereich der Seitenwand konkav ausgebildet ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines geschützen Kolbenringes für Druckmittelsysteme nach-Anspruch 1 bis 9 , bei dem der Kolbenring wenigstens eine radial nach innen konvergierende Oberfläche aufweist , dadurch gekennzeichnet, daß man den Ring einspannt, die radial nach innen konvergierende Ringfläche gegen eine kugelförmige Fläche preßt, die Schleifmittel enthält und geeignet ist, der Ringfläche eine vorbestimmte Kontur zu verleihen, daß man die Kugelfläche um eine Achse rotieren läßt und daß man auf den Ring einen ausreichenden Druck ausübt, derart, daß die radial nach innen konvergierende Fläche in innigem Kontakt mit der Kugeloberfläche für eine vorbestimmte Zeitspanne gebracht wird, die ausreichend gewählt wird, um der Oberfläche eine gekrümmte Querschnittsform zu geben, und zwar über im wesentlichen die Breite dieser Seitenwand.

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