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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ölringanordnung an einem Kolben mit einer im Seitenumfang des Kolbens gebildeten Ölringnut, einem in der Ölringnut befindlichen Ölring und einer Vielzahl von radial von der Ölringnut zur Innenseite des Kolbens verlaufenden Abflußlöchern.
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Eine derartige Ölringanordnung ist aus der DE-OS 24 43 299 bekannt. Der Ölring besitzt dabei zwei ringförmige Zylinderberührungsflächen mit axialer Versetzung; er ist satt in die Ölringnut eingepaßt, was ein Abfließen des unter der unteren Zylinderberührungsfläche abgestreiften Öls nach innen hin erschwert. Das von der oberen Zylinderberührungsfläche abgestreifte Öl kann sich zwar zwischen den beiden Zylinderberührungsflächen sammeln und in ein nach innen gerichtetes Abflußloch einfließen, hinter dem jedoch eine Schlauchfeder sitzt, die das genannte Loch vollständig abdeckt, wodurch zumindest der Ölabfluß behindert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei möglichst geringer Masse des Ölrings dessen Ölabstreifwirkung zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß der Ölring eine an seinem Seitenumfang gebildete einzige Zylinderberührungsfläche aufweist und jedes Abflußloch die untere Seite der Ölringnut schneidet und am Seitenumfang des Kolbens endet.
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Die Vorteile, die die Erfindung mit sich bringt, liegen hauptsächlich darin, daß sogar bei mit hoher Geschwindigkeit laufenden Operationen bzw. Betriebsvorgängen der Ölring eine Absperrventilwirkung ausübt, wodurch der Ölverbrauch merklich herabgesetzt ist. Darüber hinaus weist der Ölring einen verminderten Reibungsverlust auf und trägt zur Verringerung des Gewichts der Maschine bzw. des Motors bei, und zwar aufgrund der geringen bzw. dünnen Breite des Ölrings.
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Anhand von Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
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Fig. 1 eine vergrößerte ausschnittweise Schnittansicht der Ölringanordnung gemäß der Erfindung, unter Veranschaulichung des Zustands während der Ausführung eines Aufwärtshubes, eines Kolbens,
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Fig. 2 eine der Ansicht gemäß Fig. 1 ähnliche Ansicht, wobei der Zustand während des Abwärtshubes des Kolbens veranschaulicht ist,
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Fig. 3 Abmessungen und Kräfte, die auf den Ölring wirken,
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Fig. 4 in einem Diagramm die Beziehung zwischen einer Reibungskraft und einem Kurbelwinkel,
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Fig. 5 in einem Diagramm die Beziehung zwischen einer Trägheitskraft und einem Kurbelwinkel,
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Fig. 6 in einer vergrößerten ausschnittweisen Seitenansicht die Ölringanordnung,
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Fig. 7 eine der Ansicht gemäß Fig. 1 ähnliche Ansicht unter Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform und
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Fig. 8 in einem Diagramm das Ergebnis eines Tests zur Durchführung eines Vergleichs zwischen erfindungsgemäßen und herkömmlichen Ölringen.
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In Fig. 1 und 2 ist ein Ölring 4 beim Aufwärtshub bzw. beim Abwärtshub eines Kolbens veranschaulicht. Der Ölring 4 ist in eine Ölringnut 25 eingesetzt, um eine Absperrventilwirkung bei beiden Hüben auszuüben. Beim Aufwärtshub liegt der Ölring 4, wie dies Fig. 1 zeigt, mit seiner unteren Fläche 44 an der unteren Seite 24 der Ölringnut 25 an, um Öl aus dem Bereich 5 des Kolbens 2 zu dem Abführloch 20 längs der oberen Fläche 42 des Ölrings 4 abzuführen. Beim Abwärtshub liegt der Ölring, wie dies Fig. 2 veranschaulicht, mit seiner oberen Fläche 42 an der oberen Seite 22 der Ölringnut 25 an, um Öl vom Kolbenmantel 6 zu dem Abflußloch 20 längs der unteren Seite 24 des Ölrings abzuführen. Die obere Fläche 42 des Ölrings sowie die obere Seite 22 der Ölringnut sind in wünschenswerter Weise genau bearbeitet, um die Absperrventilwirkung auszuüben.
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Eine resultierende Kraft der Reibkraft F und der Trägheitskraft I wirkt auf den Ölring 4 so ein, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Reibkraft F steht dabei im Verhältnis zu dem Produkt zwischen dem Außendurchmesser D des Ölrings, der Breite t der Zylinderberührungsfläche 47 und dem Zylinderkontaktdruck pe. Die Trägheitskraft I ist proportional zu dem Produkt der Masse des Ölrings und dem Quadrat der Drehzahl.
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Die Reibkraft F und die Trägheitskraft I sind schematisch in bezug auf den Kurbelwinkel in Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Die Trägheitskraft-Kurve weist dabei eine Phasennacheilung von etwa 105° in bezug auf die Reibkraft auf. Wenn sich die Trägheitskraft vermindert, wird die Absperrventilwirkung weniger effektiv. Wenn die resultierende Kraft aus den Trägheits- und Reibkräften Null wird nahe der oberen und unteren Totpunkte (TDC und BCD), dann ist die Absperrventilwirkung effektiv. Dies wird dadurch erreicht, daß die Trägheitskraft oder das Gewicht des Ölrings herabgesetzt wird. Der Ölring sollte stabil genug sein, um der schalenartigen Verformung zu widerstehen. Ansonsten würde er in diese Form verzogen werden, wodurch die Ölabdichtung in der Ölringnut an der oberen oder unteren Seite der betreffenden Anordnung versagen würde, wobei die Zylinder-Berührungsfläche des betreffenden Rings abnormal an den Zylinder angepreßt würde, was zu einem abrupten Ansteigen des Reibungsverlustes führen würde.
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Der Ölring gemäß der Erfindung ist in seiner axialen Höhe B zur Verringerung des Gewichts reduziert, wie dies Fig. 3 veranschaulicht. Wenn die radiale Dicke vermindert wäre, wäre die Ausdehnungskraft des betreffenden Rings, die proportional zu der Reibkraft ist, zu sehr vermindert. Die Festigkeit bzw. Stabilität des Ölrings ist hauptsächlich durch die Ausdehnungskraft und das Verhältnis von T zu B bestimmt, so daß sie klein wird, wenn die Ausdehnungskraft oder wenn T/B zunimmt. Deshalb wird bevorzugt, daß B/D innerhalb eines Bereichs von 0,01 bis 0,025 liegt und daß T/B kleiner ist als 4. Das Verhältnis B/D sollte kleiner sein als 0,025, um die Masse des Ölrings zu vermindern, und höher als 0,01, um dem Ölring eine erforderliche Stabilität zu geben. Andererseits werden weder die Ölnut mit Genauigkeit bearbeitet sein noch der Ölring eine ausreichende Festigkeit aufweisen, wenn B/D kleiner ist als 0,01. Das Verhältnis T/B sollte über 4 liegen; ansonsten wird der Ölring weniger stabil sein und hinsichtlich der Absperrventilwirkung ausfallen.
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Die Ausdehnungskraft des Ölrings ist der dritten Potenz von T proportional, so daß der Ölring eine angemessene Ausdehnungskraft hat, wenn T/B größer ist als 1,5. Wenn der Ölring jedoch mit einem Ausdehnungsglied, wie einer Feder, versehen ist, kann T/B kleiner sein als 1,5. Bei dem Ölring gemäß der Erfindung sind B sowie B/D klein genug, um die Höhe des Kolbens oder der Maschine zu reduzieren und um den Maschinenwirkungsgrad zu erhöhen.
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Die eine und einzige Zylinderberührungsfläche 47 am Außenumfang des Ölrings weist eine Breite t auf, die durch die Beziehung
bestimmt ist und die an der Zylinderwand mit einem Druck von 2 bis 6 kg/cm2 anliegt. Der Ölring sollte eine kleine Selbstausdehnungskraft aufweisen, da die axiale Höhe B sowie die radiale Dicke T klein sind. Erreicht wird dies dadurch, daß die Breite t der Zylinderberührungsfläche 47 eingeengt wird.
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Der Ölring ist dazu bestimmt, die Dicke des Schmierölfilms zu regulieren. Die Dicke des Ölfilms nimmt ab, wenn bei festliegender Größe t der Zylinderkontaktdruck zunimmt. Sie nimmt ferner ab, wenn t abnimmt, sofern der Zylinderkontaktdruck festliegt. Der Zylinderkontaktdruck sowie die Breite der Zylinderkontaktfläche sind so reduziert, daß eine geeignete Dicke des Ölfilms aufrechterhalten wird, was dazu führt, daß sich der Reibungsverlust ebenfalls vermindert, da er proportional dem Produkt des Zylinderkontaktdrucks und der Breite der Zylinderkontaktfläche ist.
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Der Zylinderkontaktdruck von 2 bis 6 kg/cm2 ist klein im Vergleich zu dem üblichen Wert von 8 kg/cm2. Wenn t/B > 0,5 ist, dann sind weder der Reibungsverlust vermindert noch wird das Schmieröl reguliert, da nämlich der Ölring schmal ist und hinsichtlich der Selbstausdehnungseigenschaft unterlegen ist hinsichtlich des Verstärkens eines Ölfilms auf der Zylinderkontaktfläche. Wenn demgegenüber t/B < 0,1 ist, ist die Breite t zu schmal in bezug auf die Rauhheit des Zylinders und mangelhaft hinsichtlich der Einpaßbarkeit und des sich Anschließens an den Zylinder. Demgemäß wird das Verhältnis t/B in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 gehalten. Der Zylinderkontaktdruck sollte einen Wert von 6 kg/cm2 nicht überschreiten. Wenn der Zylinderkontaktdruck mehr als 6 kg/cm2 betrüge, sollte der Ölring weiter sein, um den Reibungsverlust zu erhöhen; ansonsten würde er verformt werden. Wenn der betreffende Druck kleiner als 2 kg/cm2 wäre, wäre die Breite t zu schmal. Deshalb muß der betreffende Druck in einem Bereich von 2 bis 6 kg/cm2 liegen.
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Bei dem Ölring gemäß der Erfindung beträgt der Zylinderkontaktdruck etwa die Hälfte des üblichen Kontaktdruckes von etwa 8 kg/cm2, und die Breite der Zylinderkontaktfläche beträgt etwa ein Drittel der herkömmlichen Breite von etwa 0,8 mm, was die Summe der oberen und unteren Zylinderkontaktflächen ist. Dies führt dazu, daß der Reibungsverlust auf etwa ein Fünftel des herkömmlichen Reibungsverlustes herabgesetzt werden kann. Es dürfte einzusehen sein, daß der Reibungsverlust auf die Hälfte absinkt, da die beiden oberen und unteren Zylinderkontaktflächen durch eine einzige dünne Fläche ersetzt sind.
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Der Außenumfang 41 ist durch ein oder zwei Flächen der oberen und unteren konischen oder geneigt verlaufenden Flächen 48 geschnitten, welche die obere und untere Fläche 42 bzw. 44 des Ölrings unter einem spitzen Winkel schneiden. Dadurch ist die Zylinderkontaktfläche 47 gebildet, wie dies in Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist. Die starke Neigung der schrägen Flächen 48 halten die Breite der Zylinderkontaktfläche 47 sogar in dem Fall weitgehend konstant, wenn sich die betreffende Fläche abnutzt; die betreffenden Flächen begrenzen einen weiten Zwischenraum zwischen der unteren Seite 24 und der schräg verlaufenden Fläche 48, um überschüssiges Öl aufzunehmen und dann an das Abflußloch 20 abzuleiten. Das Abflußloch 20 verläuft von der unteren Seite 24 der Ölringnut 25 aus zur Innenseite des Kolbens 2 hin. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, weist die Ölringanordnung gemäß der Erfindung eine Art von Abflußlöchern 20 auf, die zum Seitenumfang des Kolbens 2 hin und zu den rückwärtigen und unteren Seiten der Ölringnut 25 offen sind, in der der Ölring 4 sitzt. Im Unterschied dazu weist die konventionelle Ölringanordnung ein erstes Abflußloch in der Rückseite der Ölringnut und ein zweites Abflußloch unterhalb der Ölringnut auf.
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Wenn der Zylinderkontaktdruck unzureichend ist, kann an der Rückseite 43 des Ölrings 4 ein übliches Ausdehnungsglied 8, wie eine Feder, vorgesehen sein, wie dies Fig. 7 veranschaulicht. Außerdem kann der Ölring 4 auf seinem Außenumfang 41 von einem harten Überzug 7 aus einer Chromauflage oder durch Nitrierung überzogen sein.
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Es wurde ein Test durchgeführt, um die Wirkung zu veranschaulichen, die sich aus dem Ölring gemäß der Erfindung im Vergleich zu dem bekannten Ring ergibt. Die folgenden Testbedingungen wurden angewandt:
- Ölring gemäß der Erfindung: I: B = 1,0 mm, T = 2,65 mm, t = 0,3 mm, 3,9 g.
Bekannter Ölring C2: 1: B = 4,0 mm, T = 2,65 mm, t = ß,5 mm, 11,4 g.
Bekannter Ölring C1: 2: B = 2,0 mm, T = 3,4 mm, t = 0,5 mm, 8,1 g.
Durchmesser: 73 mm,
Zylinderkontaktdruck: 43 kg/cm2.
Motor:
Zylinder-Durchmesser: 73 mm,
Hub: 77 mm,
Schmieröl SAE Nr. 20,
Kompressionsring: zwei rechteckförmige Ringe,
Testmethode: Messung des Schmierölverbrauchs bei 2000, 3000, 4000 und 5000 U/min.
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Das Testergebnis ist in Fig. 8 veranschaulicht, in der ein Diagramm eine Beziehung zwischen dem Schmierölverbrauch und dem Ölringgewicht veranschaulicht. Das Diagramm zeigt, daß der Ölverbrauch mit Abnahme des Ölringgewichts sowie der Breite der Zylinderkontaktfläche abnimmt und daß dies im Bereich hoher Drehzahlen noch offensichtlicher ist.