DE3045871C2

DE3045871C2 - Kolbenring

Info

Publication number: DE3045871C2
Application number: DE3045871A
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: 1982-06-16
Also published as: IN155372B; FR2481368A1; AU533528B2; AU6507580A; GB2075632B; JPS6123381B2; ES265095U; ES265095Y; FR2481368B1; JPS56162245A; DE3045871A1; SE8008467L; GB2075632A; US4256318A; MX153397A; BE886914A; BR8100095A; SE443035B; CA1137134A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring aus einem ringförmigen, geteilten Metallkörper mit einer peripheren, tonn.iartig gewölbten Außenfläche, mit einer Nut, die sich vollständig um c*^;e äußere periphere Außenfläche erstreckt, und mit einem in der Nut angeordneten Verschleißband aus verschleißfestem Material, dessen Endkanten an dem geteilten Ring freiliegen.

Bei derartig bekannten Kolbenringen (US-PS 36 15 099) treten Abblasverluste des Verbrennungsgases durch den Spalt an den Kolbenringenden auf. Es ist daher bekannt, die Kolbenringenden überlappend auszubilden. Insbesondere ist es bekannt, bei einem Kolbenring, dessen gesamte Außenfläche mit einer Hartchromschicht versehen ist, den Abstreifring so auszubilden, daß das eine Ende über dem von innen herausgeführten anderen Ende zu liegen kommt. Ein wenn auch nicht rechtwinklig, sondern schräg zum Zylinderradius führender Spalt ist nach wie vor vorhanden (US-PS 25 64 993). Eine Verbesserung stellt demgegenüber die Ausbildung eines Kolbenrings dar, bei dem ein Vorsprung an einem Kolbenringende ausgebildet ist, der in eine Ausnehmung am anderen Kolbenringende eingreift, wobei Schrägflächen vorgesehen sind (US-PS 13 11159). Insbesondere ist es bekannt, die Schrägflächen so vorzusehen, daß sie in einem spitzen Winkel relativ zur Ringebene verlaufen, wobei eine Kante der Schrägfläche an der äußeren Abstreiffläche sich befindet (US-PS 19 30 857). Praktische Versuche, bei einem derartigen Kolbenring eine Verschleißschicht vorzusehen, haben ergeben, daß Grale des Verschleißmaterials und Beschädigung der Verschleißbeschichtung im Überdeckungsbereich während der Ringherstellung zu Störungen führen können und daß es nicht möglich ist, die Bearbeitung vorzunehmen, ohne die erforderlichen geringen Toleranzen zu beobachten. Als Ausweg ist daher vorgeschlagen worden, im Verbindungsbereich die Verschleißschicht wegzulassen, was jedoch einen nicht befriedi

genden Kompromiß darstellt.

Der Erfindung liegt daher 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 Abstreifoberfläche des Rings erstreckt.

"' Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Kalbenring der eingangs genannten Art sich überlappend ausgebildete, geteilte Ringenden vorgesehen sind, die sich gegenüberliegend, ebene Schrägflächen aufweisen und im spitzen Winkel relativ zur Ringebene verlaufen, is daß die Nut und das Verschleißband axial von der N'ittelebene des Rings versetzt sind, so daß die Felder an der peripheren Außenfläche des Ringes zu beiden Seiten des Verschleißbandes ungleiche axiale Abmessungen aufweisen und daß die Schrägflächen an der •2» peripheren Außenfläche in dem Feld von größerer axialer Abmessung enden.

Die Erfindung so!! nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen -5 zeigt

Fig. 1 eine Ansicht von oben auf den Kolbenring gemäß Erfindung,

F i g. 2 eine vergrößerte Einzelheit gemäß Schnitt 2-2 in Fig. 1,
ⁱⁿ F i g. 3 eine vergrößerte Einzelheit aus F i g. 2,

F i g. 4 die Ringstoßstelle in vergrößerter Darstellung,

Fig.5 eine vergrößerte Einzelheit gemäß Querschnitt 5-5 in Fig. 1,

F i g. 6 eine Ansicht von oben auf die voneinander getrennten Ringenden,

F i g. 7 eine Ansicht von unten auf die Ringenden,

Fig.8 eine perspektivische Darstellung der Ringenden, gesehen von außen und ein wenig von oben,

F i g. 9 eine perspektivische Darstellung der Ringen-^J° den, gesehen von innen und ein wenig von oben.

Fig. 1 stellt einen Kolbenring 20 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 24, 26 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 Rpndfläche 36 auf. Die Nut ist z. B. durch Plasmasprühauftrag mit einem harten, verschleißfesten Material, beispielsweise Molybdän, gefüllt, welches sich als Band 38 um die Außenseite des Ringes erstreckt. Der Ring selbst ist beispielsweise durch Zentrifugalguß hergestellt worden und besteht aus duktilem Eisen oder Stahl.

Das Verschleißband 38 ist gegenüber der Ringebene P in axialer Richtung leicht nach 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.

Der Ring 20 ist mit einem keilförmigen Überlappungsstoß 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 erstrecker ien 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 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 Kolbe;i in die zugeordnete Zylinderbohrung des Motors eingebaut ist, liegt die Zunge 50 unterhalb des gegenüberliegenden geteilten Endes des Ringes, überlappt dieses Ende teilweise und ist dort gleitend geführt. Diese normale Überlappungsstellung ist in F i g. 1,4 und 5 dargestellt.

Die abgeschrägte Dichtverbindung wird durch fräsen erzeugt, indem das Material zur Bildung der Zunge 50 zerspant wird, wobei gleichzeitig die schräge Oberfläche 52 der Zunge 50 (F i g. 9) und die radiale und axial sich erstreckende Endoberfläche 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 wird 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 Kan'3 76 der Schrägfläche 70 erstreckt sich ebenfalls in Umfangsrichtung und fällt im wesentlichen mit der Kante 58 des anderen Ringendes im überlappten 21ustand des Ringes zusammen (Fig.5). Die Endfläche 78 (Fi g. 6 bis 8) des Ringendes mit der Aussparung 54 erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Endfläche 51 des anderen Ringendes, wenn beide Enden sich einander überlappen (F i g. 4).

Dadurch, daß das Feld 40 breit genug ist, kann es durch die Kanten 56 und 74 (F i g. 8) im Sinne der Felder 40a bzw. 406 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 bis dreimal der axialen Abmessung des Feldes 406 entspricht. Zumindest weist das Feld 406 eine wenigstens leicht größere axiale Abmessung als das untere Feld 42 des Ringes 20 auf. Die Oberflächen 52,70 (Fig.5, 8 und 9) liegen in Ebenen mit einem spitzen Winkel (beispielsweise 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 beschich-

Hi tet- 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, 406 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, sind die einzigen Bereiche, an dem Schleifspäne des Hartmetalis 38 vorkommen können, die Kanten 62,80.

Die Auswirkung dieser Schnipse! an den axialen Kanten 62, ÜO wird durch die nachfolgende Arbeit des Schleifens der lYennfuge gering gehLtr-en oder gänzlich beseitigt. Dies isi 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 wären, 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 ¹SiCh überlappenden Oberflächen mußte deshalb in Grenzen zwischen 0,00 und 0,13 mm gehalten werden.

Die Austührungsform 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 von oben nach unten statt. Es versteht sich auch, daß das obere Feld 40 breiter als das untere Feld 42 gemacht wird, damit die Schrägfläche im Feld 40 nach außen dringt und doch noch ein genügend breiter Streifen 40a, 406 verbleibt, der genügende Kantenfestigkeit garantiert. Außer der Füllung mit Molybdän als Verschleißmaterial kommen auch andere verschleißfeste Materialien zur Füllung der Nut in Betracht, beispielsweise Cl:roiii, keramische Materialien oder Aluminiumoxyd.

Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke, wie »oben«, »unten«, dienen zur Verdeutlichung der räumlichen Orientierung des Ringes relativ zum zugeordneten Kolben, wenn dieser in vertikaler

bO Richtung schwingt und der Ring als der oberste Abdichtungsring verwendet wird, nicht jedoch zur Beschränkung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

1. Kolbenring aus einem ringförmigen, geteilten Metallkörper mit einer peripheren, tonnenartig gewölbten Außenfläche,

mit einer Nut, die sich vollständig um die periphere Außenfläche erstreckt, und

mit einem in der Nut angeordneten Verschleißband aus verschleißfestem Material, dessen Enden an dem geteilten Ring freiliegen,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich überlappend ausgebildete, geteilte Ringenden vorgesehen sind, die sich gegenüberliegende, ebene Schrägflächen (70, 52} aufweisen und im spitzen Winkel relativ zur Ringebene verlaufen,
daß die Nut (32,34,36) und das Verschleißband (38) axial von der Mittelebene des Rings (20) versetzt sind, so daß die Felder (40, 42) an der peripheren Außenfläche (22) des Ringes zu beiden Seiten des Verschleißbandes ungleiche axiale Abmessungen aufweisen und

daß die Schrägflächen an der peripheren Außenfläche in dem Feld (40) von größerer axialer Abmessung enden.