DE3045871A1

DE3045871A1 - Kolbenring und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3045871A1
Application number: DE19803045871
Authority: DE
Inventors: Jerome J. 49423 Holland Mich. Bush
Original assignee: Sealed Power Corp
Current assignee: Sanford Acquisition Co Bingham Farms Mich Us
Priority date: 1980-04-28
Filing date: 1980-12-05
Publication date: 1981-11-12
Also published as: SE8008467L; DE3045871C2; IN155372B; US4256318A; AU6507580A; BR8100095A; AU533528B2; MX153397A; CA1137134A; BE886914A; GB2075632A; SE443035B; ES265095Y; FR2481368B1; JPS56162245A; GB2075632B; ES265095U; FR2481368A1; JPS6123381B2

Description

BLUM BAC H . WES BK -* .BE R-G-Ir- N\ KRAM E R

ZWIRNER. HOFFMANN 3 OA 5

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WItSBADEN

Patentconsult Radedcostraßo 43 8000 Mündion 60 Telefon (089) 883603/883604 !Hex 05-212313 Tclogramme Pulenlconsull Palontconsult Sonnenborger SirnCo Ί3 6200 Wiesbaden Telclun (06121) 562943/561V9B Telox 04-186?.57 Telegramme Paionttonr/Jll

Sealed Power Corporation
Muskegon, Mich. 49443, USA

Kolbenring

und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenringe und speziell auf geteilte Kolbenringe mit einer verschleißfesten Seite oder Belag auf der Ringträgerfläche und sich überlappenden Enden des Ringes am Ringspalt zu Abdichtzwecken.

Es ist bekannt, daß geteilte Kolbenringe mit einer Verschleißbeschichtung auf der äußeren radialen Oberfläche vorteilhaft als der oberste oder Kompressionskolbenring in einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden kann (US-PS 3 133 739, 2 266 692). Wünschenswert ist ferner die Verringerung der sogenannten Abblasverluste des Verbrennungsgases durch den Spalt an den Kolbenringenden. Hierfür sind sich abdichtende Kolbenenden bekannt (US-PS 615 902), bei denen sich die Kolbenringenden überlappen. Praktische Versuche, Kolbenringe mit sich überlappenden Enden und mit einer Verschleißschicht herzustellen, haben ergeben, daß Schnipsel des Verschleißmaterials und Beschädigungen der Verschleißbeschichtung in

München: R. Kramer Dlpl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nal. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.e. Blumbadi Dlpl.-Ing. ■ P. Borgen Prof.Dr. jur.Dlpl.-Ing., Pnl.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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dem Überdeckungsbereich während der Ringherstellung zu Störungen führen können. Deshalb ist vorgeschlagen worden, den Verbindungsbereich ohne Verschleißschicht zu belassen. Dies kann Jedoch zu einer nicht sehr wirksamen Abdichtung des Motors führen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,/einen geteilten Kolbenring dahingehend zu verbessern, daß er die vorteilhaften Merkmale von mit Verschleißmaterial beschichteten Kolbenringen und die verringerten Blasverluste der Kolbenringe mit sich überlappenden Enden aufweist, wobei sich die Verschleißbeschichtung vollständig um den Umfang der Abstützoberfläche des Ringes erstrecken soll .Jj,

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der in Anspruch 1 genannten Kombination gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht von oben auf den Kolbenring gemäß

Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit gemäß Schnitt 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 2j Fig. 4 die Ringstoßstelle in vergrößerter Darstellung; Fig. 5 eine vergrößerte Einzelheit gemäß Querschnitt 5-5

in Fig. 1 ;
Fig. 6 eine Ansicht von oben auf die voneinander getrenn-

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Ringenden;

Fig. 7 eine Ansicht von unten auf die Ringenden; Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der Ringenden,

gesehen von außen und ein wenig von oben; Fig. 9 eine perspektivische Darstellung der Ringenden, gesehen von innen und ein wenig von oben«

Fig. 1 stellt einen Kolbenring 20 gemäß Erfindung und für eine Ausführungsform dar, wie diese als der oberste Kompressionsring in einem Dieselmotor verwendet wird. Der Ring 20 besitzt eine tonnenförmig gewölbte Außenseite 22 mit einer einheitlichen Krümmung des Radius R (Fig. 2). Der Querschnitt

des Ringes 20 ist trapezförmig, d.h. die Ober- und Unterseite /26

24 ,laufen zur Mitte des Rings aufeinander zu. Die Innenseite 31 des Rings 20 erstreckt sich parallel zur Ringachse.

Die Außenseite 22 des Ringes weist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut mit einer Bodenfläche 32, einer oberen Randfläche 34 und einer unteren Randfläche 36 auf. Die Nut ist in bekannter Weise, z.B. durch Plasmasprühauftrag, rait einem harten, verschleißfesten Material, beispielsweise Molybdän, gefüllt, welches sich als Band 38 um die Außenseite des Ringes erstreckt. Der Ring selbst ist mit bekannten Verfahren hergestellt worden, beispielsweise durch Eentri« fugalguß, und besteht aus duktilem Eisen oder Stahl,

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das Verßchloißbsnd :>& gegenüber der Ringebene P in axialer Richtung leicht nach

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unten verschoben (Fig. 2, 3). Die Felder 40, 42 des Ringes 20 aus Eisen haben deshalb ungleiche Breite. Der Mittelpunkt des Krümmungsradius R liegt auf der Ebene P. In einem Ausführungsbeispiel des Ringes mit einem Nenn-Außendurchmesser von 137,16 mm hatte das obere Feld 40 eine Breite von 0,76 bis 0,89 mm , während das untere Feld 42 eine Breite von nur 0,10 bis 0,23 mm aufwies. Es hat sich herausgestellt, daß die Felder 40 und 42 bei dieser Ausführungsform schmal genug sind, um die Tendenz des Verschleißes zwischen den Feldern und der Zylinderbohrung gering zu halten. Infolge der Wölbung der Seite 22 sind die Felder 40 und 42 weit genug von der nicht dargestellten Zylinderwandung entfernt angeordnet, so daß der Verschleiß gering bleibt.

Gema3 einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Ring 20 mit einem keilförmigen Uberlappungsstoß am Ringspalt versehen, um die Blasverluste zu verringern. Das eine der geteilten Ringenden weist eine Zunge 50 auf, die sich in Umfangsrichtung von einer sich radial und axial erstreckenden Endfläche 51 in Richtung auf das andere Ende des Ringes erstreckt. Das andere geteilte Ringende ist mit einer Aussparung 54 (Fig. 8) versehen, die zur Aufnahme der Zunge 50 bemessen ist und somit keilförmig ausgebildet ist. Wenn der Ring 20 auf den Wirkdurchmesser zusammengedrückt ist, wenn er also in der Wirklage in der entsprechenden oberen Ringnut eines Kolbens liegt und der Kolben ii die zugeordnete Zylinderbohrung des Motors eingebaut ist, liegt die Zunge 50 unterhalb dem gegenüberliegenden geteilten Ende des Ringes, überlappt dieses Ende teilweise und ist dort

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gleitend geführt. Diese normale üborlappungnstellung ist in Fig. 1, 4 und 5 dargestellt.

Die abgeschrägte Dichtverbindung wird durch Fräsen ei"·zeugt, indem das Material zur Bildung der Zunge 50 zerspant wird, wobei gleichzeitig die schräge Oberfläche 52 der Zunge 50 (Fig. 9) und die radiale und axial sich erstreckende Kn doberflächo 51 hergestellt werden. Das obere Ende der Schrägfläche 52 endigt an einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kante 56 , die etwa in der Mitte des oberen Feldes 40 des Zungenendes des Ringes liegt. Das untere innere Ende der Schrägfläche 52 endigt an einer Kante 58, die sich in Umfangsrichtung des Ringes nahe der Innenseite 31 erstreckt, und zwar ein wenig nach außen, gerechnet von der inneren Kante 60 der Seite 31. Das Verschleißband 38 erstreckt sich unverändert bis zur äußeren Kante 62 der Zunge 50,und die Endoberfläche 64 der Zunge 50 liegt auf einer radialen Ebene parallel zur Achse des Ringes 20.

Die Aussparung 74 in dem anderen getrennten Ringende v/ird ebenfalls durch Fräsen erzeugt, und damit auch die Schrägfläche 70 und die zugeordnete Seitenfläche 72 (Fig. 8). Die äußere obere Kante 74 erstreckt sich wiederum in Umfangsrichtung etwa in der Mitte des oberen Feldes 40 (Fig. 8), Die untere, radial innere Kante 76 der Schrägfläche 70 erstreckt sich ebenfalls in Umfangsrichtung und fällt im wesentlichen mit der Kante 58 des anderen Ringendes im überlappten Zustand des Ringes zusammen (Fig. 5). Die Endfläche 78 (Fig. 6 bis 8) des Ringendes mit der Aussparung 54 er>-

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streckt sich im wesentlichen parallel zur Endfläche 51 des anderen Ringendes, wenn beide Enden sich einander überlappen (Fig. 4).

Dadurch daß das Feld 40 breit genug ist, kann es durch die Kanten 56 und 74 (Fig. 8) im Sinne der Felder 40a bzw. 40b unterteilt werden, und zwar im Bereich der Zunge 50 bzw. des Ringendes mit der Aussparung 54. Das innere Feld 40a hat eine axiale Abmessung, die im wesentlichen ein- bis dreimal der axialen Abmessung des Feldes 40b entspricht. Vorzugsweise weist das Feld 40b eine wenigstens gleichgroße oder leicht größere axiale Abmessung als das untere Feld 42 des Ringes 20 auf. Die Oberflächen52, 70 (Fig. 5, 8 und 9) liegen in Ebenen mit einem spitzen Winkel (vorzugsweise 24° mit Bezug auf die Ebene P) und erstrecken sich im wesentlichen diagonal durch den Ringkörper.

Nachdem die Keil-Abdichtverbindung an den geteilten Enden des Ringes gefräst worden ist, werden eine Mehrzahl derartiger Ringe an einem Träger befestigt und mit dem harten,verschleißfesten Material beschichtet. Die im Sprühverfahren beschichteten Oberflächen werden dann geschliffen, so daß die Felder 40, 42 durch das Verschleißband 38 getrennt sind.Die Kanten 74, 56 der schmalen Felder 40a, 40b sind deshalb außerhalb des Bereichs des Ringes angeordnet, der mit dem gesprühten Metall aufgefüllt ist. Wenn daher eine Spreizkraft auf die Ringe ausgeübt wird, um deren Enden voneinander zu entfernen, 1st der einzige Bereich, an dem Schleifspäne des Hartmetalls 38 vorkommen können, die Kanten 62,80.

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Die Auswirkung dieser Schnipsel an den axialen Kanten 62, 80 wird durch die nachfolgende Arbeit des Schleifens der Trennfuge gering gehalten oder gänzlich beseitigt. Dies ist deshalb möglich, weil relativ große Abmessungstoleranzen im Bereich der Trennfuge möglich sind, d.h. die Oberflächen 64 und 72 sowie die Beschichtungskanten 62 und 80 können mehr oder weniger stark bearbeitet werden, ohne daß dies die Toleranzgrenzen des Spaltes übersteigt. Wenn demgegenüber die Kanten 56 und 74 innerhalb des harten, beschichteten Metallbandes angeordnet wärmen, könnten die Schrägflächen 70, 52 nicht bearbeitet werden, um Schnipsel zu entfernen, während, gleichzeitig enge Toleranzen zwischen den Flächen 52 und 70 einzuhalten sind, um den Gasverlust durch den sich überlappenden Spalt im Griff zu behalten. Der Abstand zwischen den sich überlappenden Oberflächen mußte deshalb in Grenzen zwischen 0,00 und 0,13 mm gehalten werden.

Die Ausführungsform mit der keilförmigen Verbindung wirkt als Abdichtung in Richtung von der Oberseite des Ringes zur Unterseite, weswegen die Oberseite normalerweise mit "UP" oder "oben" sowie mit einer Kernmarke 84 (Fig. 6) versehen ist, damit diese Seite des Kolbenringes der Verbrennungskammer benachbart ist. Wenn daher die Oberseite des Ringes 20 in Richtung auf den Kolbenboden eingebaut ist, findet die Abdichtung der Ringverbindung in Richtung oben nach unten statt. Es versteht sich auch, daß das obere Feld 40 vorzugsweise breiter als das untere Feld 42 gemacht wird, damit die Schrägfläche im Feld 40 nach außen dringt und doch noch ein

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genügend breiter Streifen 40a, 40b verbleibt, der genügende Kantenfestigkeit garantiert. Wenn dies auch nicht bevorzugt wird, so könnte doch das untere Feld 42 mit gleicher Breite wie das obere Feld 40 gemacht werden, wenn dies in geeigneten Umständen zweckmäßig sein sollte. Außer der Füllung mit Molybdän als Verschleißmaterial kommen auch andere verschleißfeste Materialien zur Füllung der Nut in Betracht, beispielsweise Chrom, keramische Materialien oder Aluminiumoxyd.

Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke, wie "oben", •unten!¹, dienen zur Verdeutlichung der räumlichen Orientierung des Ringes relativ zum zugeordneten Kolben, wenn dieser in vertikaler Richtung schwingt und der Ring gemäß Erfindung als der oberste Abdichtungsring verwendet wird, nicht jedoch zur Beschränkung.

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Claims

BLUMBACH . WESER -BERGEN -KExAMER

ZWIRNER · HOFKMANiSi 3GA 5871

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN Ui ID WIESBADEN

Patentconsult Radockestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/8&2604 Telex 05-212313 Telegramme Patontconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 0-1-186237 Telegramme P.ilontconsull

Sealed Power Corporation
MuGkegon, Mich. 49443, USA

Patentansprüche

M.^/Kolbenring aus einem ringförmigen, geteilten Metallkörper mit axialen Seitenwänden zum Sitz in einer Ringnut und mit einer äußeren peripheren Oberfläche,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: eine Nut (32, 34, 36) erstreckt sich vollständig um die äußere periphere Oberfläche (22) und wird teilweise von axial voneinander angeordneten Feldern (40, 42) der peripheren Oberfläche (22) begrenzt;

ein Verschleißband (38) aus verschleißfestem Material ist in der Nut (32, 34, 36) vorgesehen und dient zur abdichtenden Anlage an einer Zylinderwandung;

an

die Felder (40, 42) sind jeweils angrenzend /den sich gegenüberliegenden axialen Rändern des Bandes angeordnet; die geteilten Enden des Rings sind sich überlappend ausgebildet und weisen gegenüberstehende ebene Schrägflächen (52,70) auf,die im wesentlichen diagonal zum Ringkörper angeordnet sind und im spitzen Winkel relativ zur Ringebene verlaufen, und zwar derart, daß 'diese Schrägflächen (52,70) an der äußeren peripheren Oberfläche (22) innerhalb eines dieser Felder (40) enden.

MünUien: R. Kramer Dipl.-Inrj. · W. Wosf-t Dipl.-Phys. Dr. γ·.:γ. not. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbnch Dlpl.-Inr;. · P. Bergen l'rof. Dr.jiir.Dipl -Ing., FaI.-Ass , Ρβι.-Anw.bis 19/9 · G. Zwiiner Dlpl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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2. Kolbenring nach Anspruch 1, ausgebildet als Kompressionsring für einen Kolben in einer Kolbenmaschine, gekennzeichnet durch Markierungen (84) zur Anzeige der Ein- , baurichtung in einer Kolbennut, so daß eines der Felder (40) in Richtung auf den Verbrennungsraum angeordnet ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Schrägflächen (52, 70) an ihren radial inneren Kanten an Seiten (26) enden, die vom einen Feld (40) entfernt ist.
4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3»

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Verbindung sich in Umfangsrichtung von einer zugeordneten Endwandung erstrecken, die eine radiale Seite der Ringspalte bestimmen, und zwar zu einer anderen zugeordneten Endwandung, die die andere radiale Seite der Spalte bestimmt, und daß die Nut (32, 34, 36) sich in Umfangsrichtung vollständig um die periphere Oberfläche (22) erstreckt und das Verschleißband (38) axial sich erstreckende Endkanten (62, 80) aufweist, die an der Teilfuge des Ringes exponiert sind.
5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Oberfläche (22) einen faßförmig gekrümmten Umriß mit einem maximalen äußeren Durchmesser aufweist, der in die äußere Verschleißoberfläche des Metallbandes (38) fällt.

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6. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das eine Feld (40) breiter ist als das andere Feld (42).
7. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
8. Kolbenring nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte des Verschleißbandes (38) gegenüber der Mittelebene (P) des Ringkörpers zur Ringseite (26) versetzt ist, die entfernt vom einen Feld (40) angeordnet ist.
9. Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) es werden geteilte Ringkörper aus duktilem Eisen oder Stahl und mit einer umlaufenden Nut (32, 34, 36) an der äußeren peripheren Oberfläche (22) hergestellt, wobei randständige Felder (40, 42) verbleiben;

b) die Ringenden eines Kolbenringes werden im Sinne von Keilen mit diagonal verlaufenden Schrägflächen (52, 70) bearbeitet, welche die periphere Oberfläche (22) in einem der Felder (40) schneiden;

c) mehrere geteilte Ringkörper mit sich überlappenden Enden werden an der peripharen Oberfläche (22) mit verschleiß-

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festem Material beschichtet und die Nuten (32, 34, 36) gefüllt;

d) das verschleißfeste Material wird überschliffen, so daß pro Kolbenring ein gewölbtes umlaufendes Verschleißband (38) und die randständigen Felder (40, 42) entstehen bzw. freikommen;

e) die Kanten (62, 80) des Verschleißbandes (38) im Bereich der Ringteilung werden überschliffen.

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