DE3034519C2

DE3034519C2 - Metallkolbenring

Info

Publication number: DE3034519C2
Application number: DE3034519A
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Ballwin Mo. McCormick
Original assignee: RAMSEY CORP MANCHESTER MO US; Ramsey Corp Manchester Mo
Current assignee: TRW Automotive Products Inc
Priority date: 1979-09-12
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1982-07-08
Also published as: GB2060132A; US4299401A; GB2060132B; MX152921A; FR2465136B1; JPS6128823B2; DE3034519A1; CA1142196A; ES262178U; FR2465136A1; AR221780A1; JPS5696135A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Metallkolbenring der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Metallkolber ringe dieser Art sind beispielsweise aus der US-PS 36 15 099 bekannt Bei diesen bekannten Metallkolbenringen ist die mit der Zylinderwand in Kontakt stehende gewölbte Umf^ngsfläche mit einem verschleißfesten Material beschichtet Dagegen sind die konisch zulaufenden Seitenflächen des Kolbenrings, die zu den konisch zulaufenden Seitenflächen der Kolbenringnut parallel verlaufen, weder gehärtet noch beschichtet. Es hat sich gezeigt, daß die Seitenflächen eines solchen Kolbenrings während der Kolbenbewegung einem beträchtlichen Verschleiß ausgesetzt sind, der in dem am Außenumfang liegenden Bereich r:m größten ist. Durch diesen Verschleiß wird nicht nur die Lebensdauer des Kolbenrings herabgesetzt, sondern auch die Abdichtung im Betrieb verschlechtert.

Aus der GB-PS 1132 351 ist andererseits ein Kolbenring von rechteckigem Querschnitt bekannt, bei dem nicht nur die Außenumfangsfläche, sondern auch die parallelen Seitenflächen mit einem verschleißfesten Material beschichtet sind, wobei die an den Außenkanten des Kolbenrings liegenden Bereiche entweder durch Anfasung von dem verschleißfesten Material befreit werden oder von vornherein nicht beschichtet werden.

Schließlich ist in der US-PS 13 67 405 ein Kolbenring beschrieben, dessen Seitenflächen gewölbt sind und somit einen sich stetig ändernden Winkel mit der Normalen zur Kolbenachse einschließen. Dieser Kolbenring sitzt in einer Kolbenringnut mit konisch zulaufenden Seitenflächen, die er etwa in der Mitte seiner Seitenflächen tangiert, so daß der Winkel, den die gewölbten Seitenflächen des Kolbenrings mit der Normalen zur Kolbenachse einschließen, radial innerhalb der Berührungslinie größer und radial außerhalb der Berührungslinie kleiner als der Winkel ist, den die konisch zulaufenden Seitenflächen der Kolbenringnut mit der Normalen zur Kolbenachse einschließen. Eine Beschichtung oder Härtung dieses Kolbenrings ist weder an der Außenumfangsfläche noch an den

Seitenflächen vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschleißerscheinungen eines Metallkolbenrings der eingangs angegebenen Art unter Erzielung einer guten Abdichtung zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Bei dem Metallkolbenring nach der Erfindung

ergeben die unterschiedlichen Neigungswinkel der Seitenflächen des Kolbenrings und der Kolbenringnut in Verbindung mit den örtlich begrenzten gehärteten Bereichen der Seitenflächen die Wirkung, daß sich die ungehärteten Seitenflächenbereiche ohne Gefahr von Rissen oder Kerbwirkungen an die Kclbenringnut

\- anpassen können, wodurch die Abdichtung verbessert wird, daß aber diese Anpassung durch die gehärteten Seitenflächenbereiche begrenzt wird, wodurch die Verschleißerscheinungen vermindert werden. Dadurch wird die Lebensdauer des Kolbenrings unter gleichzeitiger Verbesserung der Abdichtung verlängert.

Ein wesentlicher Vorteil des Mctaükcibcnrings nach der Erfindung besteht darin, daß die angegebenen Verbesserungen mit relativ einfachen fertigungstechnischen Maßnahmen bei der Herstellung erzielbar sind, denn eine Härtung von örtlich begrenzten Bereichen der Seitenflächen ist einfacher und billiger durchführbar als eine örtlich begrenzte Beschichtung mit verschleißfestem Material oder eine nachträgliche Bearbeitung einer zunächst durchgehend gehärteten oder verschleißfest beschichteten Oberfläche.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Metallkolbenrings nach der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittdarstellung eines Kolbens mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Metaükolbenring,

F i g. 2 eine Draufsicht des MettJkolbenrings,
■»ο Fig.3 eine Querschnittsansicht des Metallkolbenrings entsprechend der Linie 3-3 in Fig.2, jedoch bei Anordnung in einer Kolbenringnut,

Fig.4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kolbenrings mit einem Verschleißmuster auf der Seitenwand des Kolbenrings und der Kolbenringnut nach langer Betriebszeit,

Fig. 5 eine Darstellung des Sitzes des Kolbenrings von Fig.3 in der Kolbenringnut nach kurzer Betriebszeit und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des Kolbenrings von F i g. 3.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 11, der sich in einem

Zylinder 12 hin- und herbewegt. Die sich ausdehnenden Gase einer gezündeten Brennstoffladung wirken auf die Kolbenoberseite 11a ein und drücken den Kolben in dem Zylinder 12 abwärts.

In dem Kolbenring 11 sind drei Kolbenringnuten 14, 15 und 16 ausgebildet. Die Kolbenringnut 14 nimmt einen Verdichtungsring 10 auf. Die Kolbenringnut 15 nimmt einen weiteren Verdichtungsring 20 auf. Die Kolbenringnut 16 nimmt einen ölabstreifring 21 auf, der durch einen Federexpander 22 in herkömmlicher Weise nach auswärts belastet ist. Die Funktionsweise der Verdichtungsringe 10, 20 und des Ölabstreifringes 21 ist ⁶S an sich bekannt und soll daher hier nicht mehr näher beschrieben werden. Der Verdichtungsring 20 und der ölabstreifring 21 können in beliebiger, an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Auch aus diesem

Grunde sollen diese Ringe hier nicht detailliert erläutert werden. Die folgende Beschreibung betrifft den Verdichtungsring 10, der in der Kolbenringnut 14 angeordnet ist

Die Kolbenringnut 14 in dem Kolben 11, die den Verdichtungsring 10 aufnimmt, ist durch eine Bodenfläche 30, eine obere Seitenfläche 31 und eine untere Seitenfläche 32 bestimmt Die Seitenflächen 31 und 32 divergieren von der Bodenfläche 30 ausgehend radial nach außen. Wie in Fi g. 3 dargestellt ist, verlaufen die ι ο Seitenflächen in einem Winkel X zu der (in der Zeichnung horizontal liegenden) Normalen auf die Kolbenachse, der zwischen 7° 20' und 7° 5' beträgt. Die Seitenflächen 31 und 32 bilden mit der Umfangsfläche 33 des Kolbens 11 jeweils eine Kante 34 bzw. 35.

Der in der Kolbenringnut 14 untergebrachte Kolbenring 10 besteht aus Metall und hat eine Form, die im wesenifiehen der Form der Nut entspricht Wie in F i g. 3 am besten zu erkennen ist, hat der Kolbenring 10 einen im wesentlichen trapezoidaien Querschnitt

Der Kolbenring 10 hat insbesondere eine Innenumfangsfiäche 40, die bei der Unterbringung irr der Nut 14 im Abstand von der Bodenfläche 30 der Nut und parallel dazu liegt Die Seitenflächen 41 und 42 des Kolbenrings divergieren von der Innenumfangsfläche 40 radial nach außen, wobei sie mit der Normalen auf die Kolbenachse einen Winkel Y bilden, der zwischen 7° 30' und 7° 45' einschließlich liegt Die Seitenflächen 41, 42 des Kolbenrings 10 sind daher nicht parallel zu den Seitenflächen 31, 32 der Kolbenringnut 14. Diese Beziehung ist in F i g. 3 etwas übertrieben dargestellt.

In der Nähe des Außenumfangs des Kolbenrings 10 sind die Seitenflächen 41 und 42 mit Abflachungen 50 bzw. 51 versehen. Die Abflachungen 50,51 verlaufen im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Kolbenrings 10. Diese Abflachungen 50, 51 liegen, wenn der Kolbenring 10 in der Nut 14 des Kolbens 11 untergebracht ist, unmittelbar neben den Kanten 34,35 des Kolbens.

Die Aulenumfangsfläche des Kolbenrings 10 ist mit einem Verschleißmaterial 55 versehen, das in einer Nut 60 angeordnet ist, welche in dem Außenumfang des Kolbenrings ausgebildet ist. Als Verschleißmaterial 55 kann jedes geeignete bekannte Material verwendet werden. Beispielsweise kann das Verschleißmateriai ein Chromüberzug sein.

Die Außenfläche 61 des Kolbenrings, die mit der Zylinderbohrung 12a zusammenwirkt, ist im Querschnitt gewölbt.

Wenn sich der Kolben 11 in dem Zylinder 12 hin- und herbewegt, werden die von dem Kolben 11 getragenen Kolbenringe beträchtlicnen Kräften ausgesetzt. Insbesondere bewegen sich die Kolbenringe während der Hin- und Herbewegung des Kolbens relativ zu diesem. So kommt beispielsweise der Kolbenring 10 an der Seitenfläche 31 der Kolbenringnut 14 zur Anlage, wenn sich der Kolben abwärts bewegt, wobei eine beträchtliche Kraft zwischen der Seitenfläche 41 des Kolbenrings und der Seitenfläche 31 der Kolbenringnut wirksam wird, Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 wird eine beträchtliche Kraft zwischen der Seitenfläche .32 der Kolbenringnut 14 und der Seitenfläche 42 des Kolbenrings 10 erzeugt. Diese Kräfte können einen beträchtlichen Verschleiß zwischen den Teilen verursachen.

Die Fig.4 zeigt ein typisches Verschleißmuster auf den Seitenflächen cner Kolbenringnut und eines Kolbenrings. Diese Zeichnungsfigur ist nur eine schematische Darstellung, die den beträchtlichen Verschleiß deutlich machen soll, der in der Nähp des Außenumfangs des Kolbenrings und der Kolbenringnut zu entstehen pflegt Die durch Wellenlinien in Fig.4 dargestellten Bereiche 70 sind die Verschleißbereiche am Kolbenring und am Kolben, die nach einem ausgedehnten Betrieb des Motors auftreten. Es ist klai, daß ein wesentlicher Anteil des Verschleißes nahe dem Außenumfang des Kolbenrings aufzutreten pflegt

Zur Verringerung der in Fig.4 dargestellten Verschleißerscheinungen ist jede Seitenfläche des Kolbenrings 10 in einem örtlich festgelegten Bereich gehärtet und zwar in einem Bereich, in dem der größte Verschleiß aufzutreten pflegt Wie am besten die F i g. 3 zeigt ist die Seitenfläche 41 des Kolbenrings in dem mit A bezeichneten Bereich gehärtet, während die Seitenfläche 42 des Kolbenrings in dem. mit B bezeichneten Bereich gehärtet ist Die gehärteten Bereiche A bzw. B sollten 40% oder mehr der gesamten radialen Ausdehnung der Seitenflächen 41 ^?.w. 42 umfassen. Die gehärteten Bereiche A. B sind am Außenumfangsbereich der Seitenflächen ausgebildet und umfassen, wie die F i g. 3 erkennen läßt etwa 50% des Seitenwandbereichs, der im Winkel gegen die Normale auf die Kolbenringachse geneigt ist.

Die neben den Kanten 34, 35 des Kolbens 11 liegenden Bereiche 50,51 der Seitenflächen 41,42 haben sehr kleine Abmessungen und stehen aus der Kolbenringnut 14 vor. Dadurch, daß die Außenutnfangsbereiche 50, 51 des Kolbenrings verhältnismäßig weich und nicht spröde sind, wird die Möglichkeit der Entstehung von Spannungserhöhungen und Ermüdungsbrüchen während des Betriebs des Kolbens 11 an den Kanten auf ein Minimum beschränkt. Außerdem können sich die Kanten des Kolbens durch die verhältnismäßig weiche Ausbildung des Außenumfangs anfänglich in den Kolbenring eindrücken. Auf diese Weise ergibt sich auch eine Minimierung eines Gasübertritts am Kolbenring. Dadurch wird der Kolbenring wirkungsvoller.

In der Fig. 5 ist der Kolbenring nach einem '.'urzzeitigen Betrieb des Motors dargestellt. Aus dieser Darstellung ist klar ersichtlich, daß sich die Kanten 34, 35 des Kolbens in die Bereiche 50, 51 des Kolbenrings eingedrückt haben und daß auf diese Weise eine Abdichtung an den Kanten geschaffen ist, die den Durchstrom von Gasen um den Kolbenring herum auf ein Minimum beschränkt. Dieser Sitz schafft einen Flächenkontakt Czwischen den Kolbenkanten und dem Kolbenring. Nach der anfänglichen Sitzbildung begrenzen die gehärteten Seitenflächenbereiche ein weiteres Eindringen der Kolbenkanten 34,35 in den Kolbenring.

Der zuvor beschriebene Kolbenring 10 ist für einen Dieselmotor hoher Leistung und langer Lebensdauer geeignet. Verdichtungsringe mit entsprechendem Aufbau und können auch in Dieselmotorer mit geiingerer Leistung und geringerer Lebensdauer sowie in Benzinmotoren Verwendung finden.

Der Kolbenring 10 kann auf die nachstehend beschriebene Y eise hergestellt werden. Zunächst wird ein Kolbcnringrohling durch die Formung eines Ringes aus Gußeisen oder Stahlmaterial in bekannter Weise hergestellt. Der Kolbenringrohling wird dann zur Formgebung gearbeitet, wobei insbesondere am Außetiumfang des Rohlings die Nut 60 zur Aufnahme des Verschleißmatenals 55 hergestellt wird. Der Spalt 29 kann in den Ring eingefräst werden. Weiterhin kann der Ringrohling zur Erzielung der richtigen Abmessungen geschliffen werden.

Nach Durchführung aller Bearbeitungsvorgänge wird das Material 55, das die Verschleißflächen des Kolbenrings 10 bildet und mit der Zylinderbohrung zusammenwirkt, in die Nut 60 am Außenumfang eingebracht, woraufhin, faiis dies notwendig erscheint, ein Endschliff erfolgt. Die Seitenflächen des Ringrohlings werden dann gehärtet. F i g. 6 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Härten örtlich begrenzter Bereiche der Seitenflächen des Ringrohlings.

Wie schematisch in der F i g. 6 dargestellt ist, wird der spanabhebend bearbeitete Kolbenringrohling 85 an einer Ztiführstation in eine Halterung 90 eingelegt, die an einem Schalttisch 91 sitzt. Die Halterung 90 weist einen Teil auf. der den Außenumfang des Kolbenringrohlings 85 umschließt. Der Schalttisch 91 wird dann um etwa 120" in eine Stellung bewegt, in der der Kolbenrohling unter eine Laservorrichtung 93 kommt. Die Laservorrichtung kann jeden herkömmlichen

Leistung von 1.3 Kilowatt bevorzugt wird.

Die Halterung 90 und der Kolbenringrohling werden nach der Positionierung unmittelbar unter der Laservorrichtung 93 durch einen Elektromotor 95 gedreht, der an dem Schalttisch 91 vorgesehen ist. Der Elektromotor 95 wird so betrieben, daß er die Halterung und den Koibenringrohling mit einer Geschwindigkeit dreht, bei der der Kolbenringrohling dem Laserstrahl über eine Zeitspanne ausgesetzt ist. in der die erwünschte Härtung der örtlich begrenzten Bereiche einer Seitenfläche des Kolbenringrohlings erreicht wird. Zur wirksamen Kühlung des Kolbenringrohlings ist ein Wasserbad mit Raumtemperatur vorgesehen, in dem der Rohling bei der Einwirkung des Laserstrahls angeordnet ist. Die Halterungen 90 sind im Winkel angeordnet, damit der Kolbenringrohling über den Wasserspiegel des Wasserbades vorsteht. Das Wasserbad ist im unteren Bereich der Halterung vorgesehen, während der Laserstrahl so angeordnet ist. daß er auf den Kolbenring im höheren Bereich der Halterung

to auftrifft. Der jeweils in Kontakt mit dem Laserstrahl gekommene Bereich des Rohlings wird für eine Wasserkühlung abwärts in das Wasserbad gedreht. Nachdem der Kolbenringrohling unter dem Laserstrahl gehärtet worden ist. wird der Schalttisch um 120° in die Stellung 98 weitergeschaltet, in der der Kolbenringrohling dann aus der Halterung 90 entfernt wird. Das Verfahren muß dann wiederholt werden, um eine örtliche Härtung der entgegengesetzten Seitenfläche ,i„, y^,..\u„„r.„„₇r.uur,„c 05 herbeizuführen.

Der auf diese Weise fertiggestellte Kolbenring 10 ist in örtlich begrenzten Bereichen A und B auf den entgegengesetzten Seitenflächen gehärtet. Diese Bereiche erhalten dabei eine Härte von etwa C46 auf der Rockwell-Härteskala. wobei die Härtung bis zu einer Tiefe von etwa 0,076 bis 0.178 mm geht. Die örtlich begrenzten Bereiche A und B weisen kreisringförmige kontinuierliche Bänder aus gehärtetem Material auf. Die Mitte ^:.nes jeden Bandes liegt auf einem im wesentlichen konstanten Radius um die Mitte des

ίο Ringes.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Metallkolbenring zum Einsatz in einer Nut eines Kolbens, wobei die konisch zulaufenden Seitenflächen des Kolbenrings mit konisch zulaufenden Seitenflächen der Kolbenringnut zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen radial divergierenden Seitenflächen (41, 42) des Kolbenringes (10) mit der Normalen zur Kolbenachse einen ersten Winkel (Y) einschließen, der größer ist als ein zweiter Winkel (X) zwischen den radial nach außen divergierenden Seitenflächen (31, 32) der Kolbenringnut (14) und der Normalen zur Kolbenachse und daß die Seitenflächen (41, 42) des Kolbenringes (10) in örtlich begrenzten Bereichen (A, B) gehärtet sind.

2. Metallkolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ungehärtete Seitenflächenbereich im wesentlichen bei einer Abflachung (50, 51) vorgesehen ist, die senkrecht zur Achse des Kolbenringes (10) steht, um eine Anlage an der Kolbenringnut (l4) zu vermeiden.