DE3305920A1

DE3305920A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE3305920A1
Application number: DE19833305920
Authority: DE
Inventors: Dean S. 47351 Losantville Ind. Bunce
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1982-03-12
Filing date: 1983-02-21
Publication date: 1983-09-22
Also published as: ES281751Y; SE8301332L; GB8306621D0; SE8301332D0; KR840004218A; JPS58166170A; IL67993A0; NL8300890A; IT1166429B; CA1264170A; GB2117086A; AU1206083A; AR230493A1; BR8301230A; IN157220B; ES281751U; IT8347884A0; FR2523215A1

Description

.). J.: :_A:462|305-920

—γ - Dana Corp.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring und insbesondere einen geteilten ringförmigen Kolbenring mit einer verschleißfesten Schicht an seiner Arbeitsfläche und einer Überlappungsabdichtung am Ringspalt.

Geteilte Kolbenringe mit einer verschleißfesten Schicht an ihrer äußeren radialen Oberfläche können als oberster oder als Kompressionsring in einer Brennkraftmaschine mit hin- und hergehendem Kolben eingesetzt werden. Beispiele solcher Ringe sind in den US-Patentschriften 3 133 739 und 2 266 692 beschrieben. Es ist ferner erwünscht, am Ringspalt Überlappungen vorzusehen, um eine bessere Abdichtung und damit eine Reduzierung des Austritts von Verbrennungsgasen zu erhalten. Beispiele derartiger Verbindungen an Kolbenringen sind in dem US-Patent 615 902 beschrieben.

Es wurde jedoch gefunden, daß Kolbenringe mit Überlappungen am Ringspalt nicht benutzt werden können bei mit verschleißfestem Material beschichteten Ringen konventioneller Bauart ohne Absplitterung und damit Beschädigung des verschleißfesten Überzugs im Verbindungsbereich während der Herstellung des Ringes. Es wurde daher vorgeschlagen, den Verbindungsbereich unbeschichtet zu lassen, dies kann jedoch zu einer ineffektiven Dichtung und zu einer Beschädigung der Maschine führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen geteilten Kolbenring zu schaffen, der unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile gute Dichteigenschaften hat und verschleißfest ist.

Der verschleißfeste überzug soll sich dabei im wesentlichen vollständig in Umfangsrichtung um die Auflagefläche des Ringes erstrecken.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 in Draufsicht einen Kolbenring nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1. Fig. 3 zeigt vergrößert einen Abschnitt des Ringes nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt vergrößert einen Abschnitt des Ringes nach Fig. 1 gesehen in Richtung des Pfeiles A.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie 5-5 von Fig. 1. Fig. 6 zeigt in Draufsicht die geteilten Enden des Ringes. Fig. 7 zeigt die Enden des Ringes in Ansicht von unten.

Fig. 8 zeigt perspektivisch die Enden des Kolbenringes von seiner Außenseite her gesehen.

Fig. 9 zeigt perspektivisch die Enden des Kolbenringes von seiner Innenseite her gesehen.

Fig. 10 zeigt im Schnitt, ähnlich Fig. 3, eine weitere Ausführungsform des Kolbenringes.

Fig. 1 zeigt einen Kolbenring 20 nach der Erfindung, der sich z.B. als oberer Kompressionsring eines Dieselmotors eignet. Wie insbesondere die Fig. 1-4 zeigen, hat der Kolbenring 20 eine ballige äußere Umfangsflache 22, d.h. die Umfangsflache 22 des Kolbenringes hat eine gleichmäßige Krümmung mit dem Radius R (Fig. 2). Im Querschnitt ist der Kolbenring 20 keilförmig ausgebildet, d.h. die obere und untere Fläche 24 und 26 konvergieren aufeinander zu in Einwärtsrichtung des Ringes. Die innere Umfangsfläche 31 des Kolbenringes verläuft parallel zu seiner Achse.

Wie insbesondere die Fig. 3 und 4 zeigen, hat die Außenfläche 22 des Kolbenringes eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut, die gebildet wird durch eine Grundfläche 32 und obere und untere Randflächen 34 und 36. Diese Nut ist, wie an sich bekannt, z.B. mittels Plasmaspritzen

ί ι η γ, η -; η

mit einem harten verschleißfesten Material ausgefüllt, z.B. Chrom, wodurch ein Band 38 gebildet wird, das sich in Umfangsrichtung um die Außenfläche des Ringes 20 erstreckt. Der Körper des Ringes 20 ist in konventioneller Weise hergestellt, beispielsweise mittels Schleuderguß, und er besteht aus einem Eisenmetall, wie z.B. duktilem Eisen oder Stahl.

Nach einer AusfUhrungsform der Erfindung ist das verschließfeste Band 38 in Axial richtung des Ringes 20 versetzt, derart, daß seine Mitte etwas unterhalb einer zentralen Ebene P des Ringes (Fig. 2 und 3) liegt, wobei obere und untere Bunde oder Stege 40 und 42 aus Eisen bzw. Stahl gebildet werden, die unterschiedliche Breite haben (gemessen in Axialrichtung des Kolbenringes 20). Der Krümmungsmittel punkt bzw. der Drehpunkt des Radius R liegt in der Ebene P. Es wurde gefunden, daß sowohl der obere Bund 40, als auch der untere Bund 42 bei dieser Ausführung schmal genug sind, um eine etwaige Neigung zum Fressen zwischen den Bunden und der Zylinderbohrung des zugehörigen nicht-gezeigten Motors praktisch auszuschalten. Die ballige Fläche reduziert weiterhin die Gefahr des Fressens, da die Bunde 40 und 42 im Abstand von der Zylinderwand zu liegen kommen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Kolbenring 20 mit einer überlappungsverbindung am Ringspalt versehen, um eine Leckage zu reduzieren. Wie insbesondere die Fig. 6-9 zeigen, ist eines der geteilten Enden des Kolbenringes 20 mit einer Zunge 50 versehen, die in Umfangsrichtung von einer radialen axial verlaufenden Stirnfläche in Richtung zum anderen Ende des Kolbenringes vorsteht. Das andere Ende des Kolbenringes 20 ist mit einer komplementären, die Zunge aufnehmenden Aussparung 54 versehen (Fig. 8). Wenn der Kolbenring 20 auf seinen Betriebsdurchmesser zusammengepreßt wird, d.h. wenn er in Arbeitsstellung in seine Nut des Kolbens eingesetzt und dieser in die zugehörige Zylinderbohrung eines Motors eingebaut wird, liegt die Zunge 50 unter dem gegenüberliegenden ausgesparten Ende 54 des Ringes 20 und überlappt dieses gleitend. Diese normalerweise sich überlappende Arbeitsstellung ist in den Fig. 1, 4 und 5 dargestellt.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kolbenringes 90 nach der Erfindung. Der Kolbenring 90 hat ebenfalls eine ballige oder tonnenförmige äußere Umfangsflache 91, die eine gleichmäßige Krümmung mit einem Radius R' hat, wobei hier jedoch anders als bei der Außenfläche 22 des Kolbenringes 20 nach Fig. 3, deren Krümmungsmittelpunkt in der Ebene P liegt, der Krümmungsmittelpunkt bzw. der Drehpunkt des Radius R¹ bei der Ausführungsform nach Fig. 10 nicht in der zentralen Ebene P¹ des Kolbenringes 90 liegt. Beim Kolbenring 90 ist ein verschleißfestes Band 92 aus einem verschleißfesten Material axial zur zentralen Ebene P¹ versetzt, wobei seine Mittellinie in einer Ebene C etwas unterhalb der Ebene P¹ liegt, so daß der Drehpunkt des Krümmungsradius R¹ in der Ebene C liegt. Der maximale Außendurchmesser des Kolbenringes 90 liegt daher in der Mitte des verschleißfesten Bandes 92, gemessen in Axialrichtung des Kolbenringes 90. Die Bunde 93 und 93 aus Eisen oder Stahl, die die oberen und unteren Begrenzungen des Bandes 91 bilden, haben unterschiedliche Breite (gemessen in Axialrichtung des Ringes 90), wobei ihre Abmessungen beispielsweise im wesentlichen gleich denjenigen des Kolbenringes 20 nach Fig. 3 sein können. Ebenso sind die oberen und unteren Seiten 95 und 96, sowie alle anderen Merkmale des Kolbenringes 90 im wesentlichen identisch mit denjenigen des Kolbenringes 20.

Es wurde festgestellt, daß ein Kolbenring nach der Erfindung, der eine versetzte ballige Außenfläche hat, wie der Kolbenring 90, besonders vorteilhaft hinsichtlich der Reduzierung einer Leckage von Verbrennungsgasen in Betrieb ist, wobei er außerdem eine unerwartet hohe Verschleißfestigkeit aufweist, da das vorgenannte Merkmal dazu beiträgt, das Band aus verschleißfestem Material stets sicher in Kontakt mit der Zylinderwand des Motors zu halten.

Die Dichtungsverbindung des Kolbenringes 20 nach Fig. 9 kann durch Fräsen hergestellt werden, wodurch das Material vom Ende des Ringes entfernt wird, um die Zunge 50 zu bilden, wobei die im Winkel angeordnete obere Fläche 52 der Zunge 50 und die radial und axial verlaufende Stirnfläche

gleichzeitig gefräst werden können. Das obere Ende der Fläche 52 endigt am Umfangsrand 56, der etwa in der Mitte des oberen Bundes 40 des Zungenendes des Ringes liegt. Das untere einwärts gerichtete Ende der Fläche 52 endigt in einem Rand 58, der in Umfangsrichtung des Kolbenringes nahe, jedoch radial außerhalb der inneren Kante 60 der inneren Umfangsfläche 31 des Kolbenringes verläuft. Das verschleißfeste Band 38 erstreckt sich in Umfangsrichtung vollständig über die Zunge bis zum äußeren Ende 62 der Zunge 50, und die Stirnfläche 64 der Zunge 50 liegt in einer radialen Ebene parallel zur Achse des Kolbenringes 20.

Die Aussparung 54 im anderen Ende des Kolbenringes 20 kann ebenso durch Fräsen geformt werden, um eine im Winkel verlaufende Fläche 70 und die zugehörige Seitenfläche 72 der Aussparung 54 (Fig. 8) zu bilden. Die äußere obere Kante 74 der Fläche 70 verläuft in Umfangsrichtung, ebenso wie die Kante 56, in der Mitte des oberen Bundes 40 (Fig. 8). Die untere radial weiter einwärts liegende Kante 76 der Fläche 70 verläuft ebenfalls in Umfangsrichtung des Kolbenringes 20 und sie liegt in der überlappten Position des Ringes (Fig. 5) angrenzend an die Kante 58. Die Stirnfläche 78 (Fig. 6-8) des ausgesparten Endes des Kolbenringes verläuft im wesentlichen parallel zur Stirnfläche 51, an die sie in der überlappten Arbeitsstellung des Kolbenringes 20 angrenzt.

Die Verwendung eines oberen Steges oder Bundes 40 mit größerer Breite am Kolbenring 20, durch welchen die Flächen 52 und 70 unter Bildung der Kanten 56 und 74 (Fig. 8) durchbrechen, läßt einen oberen Bund 40a stehen, der sich längs der Zunge 50 von der Stirnfläche 51 zur Stirnfläche 64 (Fig. 7) erstreckt, sowie einen oberen Bund 40b, der sich längs des Außenumfangs des ausgesparten Endes des Ringes zwischen den Stirnflächen 72 und 78 erstreckt. Vorzugsweise hat der Bund 40a ein axiales Maß, das im wesentlichen etwa das ein- bis zweifache des axialen Maßes des Bundes 40b beträgt. Der Bund 40b hat vorzugsweise ein axiales Maß, das wenigstens gleich oder etwas größer als der untere Bund 42 des Kolbenringes 20 ist. Die Flächen 52 und 70 (Fig. 5, 8 und 9)

liegen in Ebenen, die einen spitzen Winkel zur Ebene P bilden und sie verlaufen im wesentlichen diagonal zum Querschnitt des Ringkörpers. Es werden dadurch eine im Querschnitt keilförmige Zunge 50 und eine hierzu entsprechende keilförmige Aussparung 54 gebildet.

Bei der Herstellung des Kolbenringes 20 wird, nachdem die geteilten Enden des Ringes zur Herstellung der Verbindung gefräst worden sind, eine Mehrzahl solcher Ringe auf einem Dorn befestigt und durch Plasmaspritzen mit dem harten verschleißfesten Material beschichtet. Die beschichteten Flächen werden dann geschliffen, um die Bunde 40 und 42, die durch das Band 38 getrennt sind, freizulegen. Die Kanten 54 und der Stege 40a und 40b liegen dann außerhalb des Teiles der Ringoberfläche, der mit dem aufgespritzten Metall ausgefüllt ist. Wenn daher eine Expansionskraft auf die beschichteten Ringe ausgeübt wird, um die Enden zu trennen, ist der einzige Bereich, wo evtl. ein Abspringen oder Abblättern des verschleißfesten Bandes 38 auftreten könnte, der an den Rändern 62 und 80. Dieser Effekt längs der axialen Enden 62 und 80 wird jedoch, sollte er überhaupt eintreten, minimalisiert oder eliminiert durch einen nachfolgenden Schleifvorgang. Dies ist möglich wegen der relativ großen Toleranzen des Spaltbereiches, die eine Entfernung von Metall von den Flächen 64 und 72 sowie den Rändern 62 und 80 erlauben, ohne die Toleranzen des Spaltes zu überschreiten. Bei bisherigen Versuchen, eine überlappungsverbindung bei beschichteten Ringen zu schaffen, lagen die Kanten 56 und 74 innerhalb des harten Beschichtungsmetalles, weshalb die Flächen 70 und 52 nicht bearbeitet werden konnten, um ein Absplittern zu beseitigen, weil der Abstand zwischen den Flächen 52 und 70 auf einem Minimum gehalten werden mußte, um die Gas-Leckage durch den sich überlappenden Spalt unter Kontrolle zu halten. Dieser Abstand zwischen den sich überlappenden Flächen wird bei den beschriebenen Ringen im Bereich zwischen 0,03 und 0,13 mm gehalten.

Die keilförmige überlappungsverbindung dient dazu, in Richtung von der Oberseite des Ringes zur Unterseite abzudichten, wozu die obere Seite normalerweise mit einem Strich 84 (Fig. 6) markiert ist, so daß der

Kolbenring in richtiger Lage eingebaut werden kann, in der die markierte Seite zum Verbrennungsraum des Zylinders hin gerichtet ist. Wenn dann die obere Seite des Kolbenringes 20 so eingebaut ist, daß sie nach oben zum oberen Ende des Kolbens hin gerichtet ist, erfolgt eine Abdichtung durch die Ringüberlappung von oben nach unten. Der obere Bund 40 ist vorzugsweise breiter als der untere Bund 42, damit die Dichtflächen der überlappungsverbindung derart in den Bund 40 münden können, daß noch Bundabschnitte 40a und 40b übrigbleiben, die ausreichend breit sind, um die erforderliche Festigkeit zu gewährleisten. Gegebenenfalls kann aber auch der untere Bund 42 in gleicher Breite wie der obere Bund 40 ausgeführt werden. Die Erfindung wurde beschrieben in Verbindung mit chrombeschichteten Ringen, es können aber auch andere verschleißfeste Materialien zum Ausfüllen der Nut in dem Kolbenring verwendet werden, wie z.B. Molybdän, Keramik, Aluminiumoxid, Chromoxid, Chromcarbid oder Titancarbid.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen werden die Bezeichnungen "oben" und "unten" nur zur Erläuterung und zur Orientierung des Kolbenringes relativ zum zugehörigen Kolben verwendet, ohne jegliche Einschränkung der erfindungsgemäßen Kolbenringe.

Leerseite

Claims

Dana Corp.

Patentansprüche

M.) Kolbenring bestehend aus einem geteilten ringförmigen Metallkörper mit axialen Seitenwänden und einer äußeren Umfangswand, einer über den Umfang verlaufenden, in der äußeren Umfangswand ausgebildeten Nut, die teilweise durch in axialem Abstand angeordnete und in der Umfangsfläche liegende Bunde begrenzt ist, ferner durch ein Band aus einem verschleißfesten Material in der Nut, das in dichtendem Eingriff mit einer Zylinderwand steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bunde das Band axial begrenzen und an den geteilten Enden des Kolbenringes eine überlappungsverbindung ausgebildet ist, die gegenüberliegende ebene Flächen aufweist, die im wesentlichen diagonal zum Körper des Kolbenringes verlaufen und in einem spitzen Winkel relativ zur Ebene des Kolbenringes geneigt sind, und daß diese Flächen in der äußeren Umfangsfläche innerhalb von einem dieser Bunde endigen.
2. Kolbenring nach Anspruch 1 zur Verwendung als Kompressionsring für einen Kolben in einem Kolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring eine Markierung für den Einbau in einer Nut des Kolbens aufweist, derart, daß einer der Bunde in Richtung zum Verbrennungsraum des Zylinders liegt.
3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen der überlappungsverbindung mit ihren radial einwärts gelegenen Kanten in der Seitenwand endigen, die entfernt von diesem Bund liegt.
4. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen der überlappungsverbindung in Umfangsrichtung von einer Stirnwand, die eine radiale Fläche des Kolbenringspaltes bildet, zu einer anderen Stirnwand verlaufen, die die andere radiale Fläche des Kolbenringspaltes bildet, und daß sich die Nut in Umfangsrichtung

vollständig über die Umfangsflache erstreckt und das Band aus verschleißfestem Material axial verlaufende Stirnflächen hat, die im Spalt freiliegen.
5. Kolbenring nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsflache tonnenförmig ausgebildet ist, und daß der maximale Außendurchmesser des Kolbenringes in der äußeren verschleißfesten Fläche des Metallbandes liegt.
6. Kolbenring nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, " daß der eine der Bunde breiter ist als der andere Bund.
7. Kolbenring nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er im Querschnitt keilförmig ausgebildet ist.
8. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Mitte des Bandes aus verschleißfestem Material gegen die Mittelebene des Kolbenringkörpers zu der Seitenwand des Kolbenringes hin versetzt ist, die weiter entfernt von diesem einen der Bunde liegt.
9. Kolbenring für eine Brennkraftmaschine mit hin- und hergehendem Kolben, mit einem geteilten ringförmigen Metallkörper mit einer äußeren Umfangsflache, einem Band aus verschleißfestem Material, das sich über die gesamte äußere Umfangsfläche erstreckt und in dichtendem Eingriff mit einer Zylinderwand steht, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Band in Axialrichtung des Kolbenringes ein Maß hat, das kleiner ist als das der äußeren Umfangsfläche, und daß es axial gegen die Ebenen des Kolbenringes derart versetzt ist, daß die äußere Umfangsfläche Bunde ungleicher axialer Abmessungen aufweist, die integral mit dem Körper des Kolbenringes ausgebildet sind und sich axial gegenüberliegend längs der Ränder des Bandes erstrecken, daß die geteilten Enden des Kolbenringes mit einer überlappungsverbindung ausgestattet sind, die gegenüberliegende ebene Flächen aufweist, die sich im wesentlichen diagonal zum

Querschnitt des Kolbenringes erstrecken und an der äußeren Umfangs flache in dem Bund größerer axialer Breite endigen.
10. Kolbenring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsflache eine versetzte tonnenförmige Gestalt hat, so daß der maximale Außendurchmesser des Kolbenringes in die axiale Mitte des Bandes fällt.