DE3318325A1

DE3318325A1 - Kolbenring fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3318325A1
Application number: DE19833318325
Authority: DE
Inventors: Takashi Toyota Aichi Inoue; Yorishige Maeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-02-08
Filing date: 1983-05-19
Publication date: 1984-08-23
Also published as: GB8313481D0; DE3318325C2; GB2136089B; GB2136089A

Description

Kolbenring für eine Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, genauer gesagt einen Kolbenring, der eine entlang einer Außenfläche desselben ausgebildete Ringnut besitzt, in der sich eine 5 eingespritzte Schicht befindet.

Derartig ausgebildete Kolbenringe finden häufig bei mit gebleitem Kraftstoff betriebenen Ottomotoren oder Dieselmotoren Verwendung, insbesondere als die

10 obersten Ringe, die die höchsten Wärmebelastungen aufnehmen, und zwar aufgrund der Einfachheit, mit der Metalle mit verschiedenen Eigenschaften in die Gleitfläche eingeführt werden können. Der am meisten verwendete Typ dieser Kolbenringe ist der sogenannte

15 Einlage-Ring, der eine sehr gute Zuverlässigkeit und Haltbarkeit besitzt. Derartige Einlage-Ringe haben jedoch den Nachteil, daß das Grundmetall des Ringelementes an der Ober- und Unterseite der eingespritzten Schicht freiliegt. Dieses Grundmetall

20 kann daher mit der Zylinderbohrung in Gleitkontakt treten. Es ist somit schwierig,oine Zylinderbohrung

Dresdner Bank (München) Kto 3939 844

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vollständig gegenüber Abrieb und Verschleiß zu schützen.

Von den Erfindern wurden Verschleißtests mit derartigen Kolbenringen mit eingespritzten Schichten durchgeführt, um Ergebnisse in bezug auf den Verschleiß und Abrieb der Zylinderbohrung zu gewinnen. Aus diesen Ergebnissen ging hervor, daß sich die Kolbenringe verwerfen und während des Verbrennungshubes und des Expansionshubes der Kolben ihre Gleitflächen nach unten drehen, so daß dabei das Basismetall an der Oberseite der eingespritzten Schicht gegen die Zylinderbohrung gepreßt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring mit eingespritzter Schicht zu schaffen, mit dem das Auftreten von Reibung zwischen der Zylinderbohrung und dem Basismetall an der Oberseite der eingespritzten Schicht vermieden werden kann.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Kolbenrings, der sich nicht verwirft und seine Gleitfläche nach unten dreht, so daß das Basismetall der Oberseite der eingespritzten Schicht nicht mit der Zylinderbohrung in Kontakt tritt.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Kolbenring zur Verfügung gestellt werden, der sich infolge des Abriebs einer Grundfläche, die mit einer an einem Kolben ausgebildeten Kolbenringnut in Kontakt tritt, nicht verwirft und seine Gleitfläche nach unten dreht, so daß das Basismetall der Oberseite der eingespritzten Schicht nicht mit der Zylinderbohrung in Kontakt tritt.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß

durch einen Kolbenring gelöst, der ein Ringelement umfaßt,das mit einer Ringnut versehen ist, die entlang der Außenfläche des Kolbenringes ausgebildet ist, sowie eine in die Ringnut eingespritzte Schicht geschmolzenen Metalls,und der eine konvexe Außenfläche aufweist. Die Außenfläche des Ringes und die Außenfläche der Schicht bilden eine Gleitfläche, die mit der Zylinderbohrung in Gleitkontakt steht. Der Kolbenring ist dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ränder der Gleitfläche über den Umfang abgeschrägt ist. Dieser abgeschrägte Abschnitt erstreckt sich sowohl über das Basismetall als auch über einen Teil der eingespritzten Schicht.

Vorzugsweise ist auch der Innenrand des Ringelementes über seinen Umfang abgeschnitten, um eine Verwerfung des Ringelementes zu verhindern. Das Ringelement besteht aus rostfreiem Stahl und ist mindestens an seiner unteren Fläche mit einer Salzbadnitrierung behandelt.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Sämtliche beschriebenen und gezeigten Teile können dabei von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Es zeigen:

Figur 1 ein Diagramm, in dem Testergebnisse von

Abriebsuntersuchungen von Gleitflächen von Kolbenringen dargestellt sind;

Figur 2 ein Diagramm, in dem Ergebnisse von mit den Kolbenringen durchgeführten Abriebs

tests von Zylinderbohrungen dargestellt sind;

Figur 3 ein Diagramm, das Ergebnisse von Abriebstests der Oberseite und Unterseite des Kolbenringes zeigt;

Figur 4 einen Schnitt durch einen Kolbenring in

einer Kolbenringnut, der die Verwerfung des Ringes zeigt;

Figur 5 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring gemäß einer ersten Ausführungsform der

Erfindung;

Figur 6 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring

einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 7 einen Teilschnitt durch, einen Kolbenring

einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 8 einen Teilschnitt durch.' einen Kolbenring einer vierten Ausführungsform der Er

findung;

Figur 9 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 10 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung werden erfindungsgemäß ausgebildete Ausführungsformen mit herkömmlich, ausgebildeten Kolbenringen verglichen.

Ih den Figuren 1 bis 3 sind Meßergebnisse dargestellt, die bei Abriebstests von Zylinderbohrungen und herkömmlich ausgebildeten Stahlkolbenringen (Kompressions-

ring No. 1) gewonnen wurden. Es waren dabei folgende Testbedingungen gegeben:

Kolbenhub 1800 cm^
Anzahl der Zylinder 4
Drehzahl 5600 UpM
Lastbedingungen Vollast
Antriebszeit 100 h

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine Gleitfläche eines Kolbenrings. Die" strichpunktierte Linie I zeigt den Schnitt durch die Fläche vor dem Betrieb der Brennkraftmaschine, während die durchgezogene Linie J die Fläche nach dem Betrieb der Brennkraftmaschine zeigt. In Figur 1 ist zum besseren Verständnis der Maßstab in Vertikalrichtung 20mal und in Horizontalrichtung lOOOmal vergrößert.

In Figur 2 ist der Verschleiß einer Zylinderbohrung bei Verwendung des vorstehend erwähnten Kolbenringes dargestellt. Hierbei ist der Maßstab in Vertikalrichtung 20mal und in Horizontalrichtung lOOOmal vergrößert. Die strichpunktierte Linie K zeigt einen Schnitt durch den Kolbenring, während die durchgezogene Linie L einen Schnitt durch die Zylinderbohrung in der Nähe des oberen Totpunktes zeigt.

Wie man aus den Figuren 1 und 2 entnehmen kann, verschleißen in erster Linie die Oberseite der Gleitfläche eines Kolbenringes und der Zylinderbohrungsabschnitt in der Nähe des oberen Totpunktes, der sich an die Form der Gleitfläche des Kolbenrings anpaßt.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die Oberseite und Unterseite des Kolbenringes. Hierbei ist der Maßstab lOOOmal in Vertikalrichtung und 20mal in Horizontal-

richtung vergrößert. Die obere durchgezogene Linie M zeigt die Oberseite, während die untere durchgezogene Linie N die Unterseite wiedergibt. Die Gleitfläche weist in Figur 3 nach rechts. Aus Figur 3 geht hervor, daß in der Unterseite des Kolbenringes der rückwärtige Abschnitt der Gleitfläche einen beträchtlichen Abrieb aufweist, während in der Oberseite die Abriebstiefe vom rückwärtigen Abschnitt der Gleitfläche bis zum Mittelpunkt des Kolbenrings hin allmählich ansteigt.

Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse wird davon ausgegangen, daß die in Figur 3 gezeigte Ausnehmung an der Unterseite des Kolbenringes dadurch gebildet wird, daß die Unterseite des Kolbenringes von der Unterkante der Kolbenringnut 1 ausgeschlagen wird, wie in Figur 4 gezeigt. Infolge dieser Ausnehmung wird der Kolben, wenn er mit dem durch eine Verbrennung entstehenden Druck belastet wird, in einfacher Weise verdreht, so daß sich seine Gleitfläche 2 abwärts dreht. Der Kolbenring wird insbesondere beim Verbrennungshub und Expansionshub des Motors mit einer beträchtlichen Kraft nach unten gedruckt, so daß das Basismetall des oberen Randes 3 der Gleitfläche 2 gegen die Zylinderbohrung 4 in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens gepreßt wird. Dadurch wird die Zylinderbohrung 4 durch das Basismetall des oberen Randes 3 verschlissen.

Unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Vorgänge wurde erfindungsgemäß der äußere obere Umfangsrand der Gleitfläche abgeschrägt, so daß auf diese Weise das Basismetall des Randes nicht mit der Zylinderbohrung in Berührung treten kann.

Figur 5 zeigt einen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der darge-

gestellte Kolbenring besteht aus Stahl. Ein Stahldraht wird auf einer Seite mit einer Nut 13 versehen, wenn er gezogen wird. Der Stahldraht wird danach ringförmig gebogen, so daß die Nut nach außen weist. Danach wird der Draht geschnitten. Die durch die vorstehend beschriebenen Vorgänge hergestellten Ringelemente 10 werden in einer zylindrischen Form gestapelt. Die Außenflächen der Elemente werden entzundert. Geschmolzene Metalle, beispielsweise Mo, Ni, Cr und Fe, werden auf die Ringelemente flammgespritzt. Danach werden die Außenflächen abgesandet bzw. abgeschliffen, so daß das Basismetall der benachbarten Grenzabschnitte der Ringelemente 10 freigelegt wird. Die Ringelemente werden dann voneinander getrennt. Die Gleitflächen 11 eines jeden Ringelementes 10 werden zu einer gewölbten Form geschliffen. Somit verbleibt die flammgespritzte Schicht 12 nur in der Ringnut 13· Danach wird ein oberer äußerer Umfangsrand 14, beispielsweise durch Schleifen,abge schrägt.

Das untere Ende des abgeschrägten Abschnittes ist über dem Mittelpunkt der eingespritzten Schicht 12 angeordnet. Mit anderen Worten, die Breite B der eingespritzten Schicht 12 beträgt 60 bis 80 % der Ringdicke T, die Dicke A des abgeschrägten Abschnittes beträgt 30 bis 50 % der Dicke T und der Winkelndes abgeschrägten Abschnittes beträgt 10° bis 45°. Die Dicke A des abgeschrägten Abschnittes beträgt vorzugsweise 30 io der Ringdicke T, und der Winkel θ des abgeschrägten Abschnittes liegt vorzugsweise bei 30 .

Kolbenringe einer Dicke von 1,5 mm wurden in einer Dicke A von 30 $, 40 $ und 50 $ der Ringdicke und mit einem Winkel Q- von 10°, 30° und 45° abgeschrägt. Die Abriebstiefe der Zylinderbohrung, in der der mit Ring versehene Kolliben montiert war, wurde unter den

gleichen Testbedingungen wie bei den Figuren 1 bis geraessen. Diese Meßergebnisse sowie die Ergebnisse eines herkömmlich ausgebildeten Kolbenringes, der nicht abgeschrägt wurde, sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben. In dieser Tabelle sind die Abriebstiefen in um angegeben. Wie aus der Tabelle hervorgeht, weisen die erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenringe im Vergleich zu dem herkömmlich ausgebildeten Kolbenring, der eine Abriebstiefe von 80 yum besitzt, wesentlich verringerte Abriebstiefen auf.

A/o

0 10 30 45

0 80

30 40 50

—	5	10
7	10	14
7	10	20

Durch das Abschrägen des äußeren und oberen Umfangsrandes der Gleitfläche eines Kolbenringes wird

verhindert, daß nahezu das gesamte, auf der Oberseite der Gleitfläche freiliegende Basismetall mit der Zylinderbohrung in Kontakt tritt. Dadurch wird der in Figur 2 dargestellte stufenweise Verschleiß der Zylinderbohrung verhindert und zur gleichen Zeit der Abrieb des Kolbenringes reduziert. Darüber hinaus führt die eingespritzte Schicht 12 nicht langer zu einem Abrieb der Zylinderbohrung und tritt nicht aus der Ringnut 13 heraus.

In Figur 6 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Konstruktion auch der innere obere Umfangs-rrand 15 des Hingelementes 10 abgeschrägt ist. Die Dicke C der Abschrägung des inneren oberen Umfangsrandes

"beträgt 10 bis 50 % der Ringdicke T, und der Winkel & der Abschrägung beträgt 30 bis 50 . Die Dicke C beträgt vorzugsweise 30 fo der Ringdicke T und der Winkel &. vorzugsweise 45 ·

Wenn nur der äußere obere Umfangsrand 14 des Kolbenrings abgeschrägt wird, wird durch die Montage des mit dem Kolbenring versehenen Kolbens in der Zylinderbohrung der Kolbenring geringfügig verdreht, so daß die Gleitfläche 11 nach unten gedreht wird. Somit nähert sich das Basismetall des oberen Umfangsrandes 14 der Zylinderbohrung, und der obere Abschnitt der Oberfläche der eingespritzten Schicht 12 neigt dazu, mit der Zylinderbohrung in Kontakt zu treten. Da jedoch bei dieser Aus-

•j 5 führungsform auch der innere obere Umfangsrand 1 5 abgeschrägt ist, verdreht sich der Kolbenring nicht, und der mittlere Abschnitt der Oberfläche der eingespritzten Schicht 12 tritt mit der Zylinderbohrung in Kontakt. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, daß das Basismetall des oberen Umfangsrandes 14 mit der Zylinderbohrung in Gleitkontakt tritt. Ferner wird in zuverlässiger Weise ein stufenartiger Verschleiß der Zylinderbohrung vermieden. In Figur 7 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der der innere obere Umfangsrand 15 Stufenform besitzt. In den Figuren 8 und 9 sind eine vierte und fünfte Ausführungsform dargestellt, die jeweils einem halben Trapezring entsprechen. Bei der vierten Ausführungsform besitzt der innere obere Umfangsrand 15 eine Abschrägung, und bei der fünften Ausführungsform sind sowohl der innere untere 16 als auch der innere obere Rand mit einer Abschrägung versehen. Bei den Ausführungsformen der Figuren 7 bis 9 treten ähnliche Effekte auf wie bei der Ausführungsform der Figur 6. Der innere obere Umfangsrand 15 kann während des Ziehvorganges, durch den der den Ring bildende: Draht her-

- 12 gestellt wird, abgeschnitten werden.

Figur tO zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung. Der in Figur 10 dargestellte Kolbenring umfaßt ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Ringelement 10, das auf seiner Oberfläche mit einer Salzbadnitrierung behandelt worden ist. Der Kolbenring dieser Ausführungsform wird durch das gleiche Verfahren hergestellt wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Nach dem Flammspritzen werden jedoch die Ringelemente 10 voneinander getrennt und einer Salzbadnitrierung unterzogen, um über der Oberfläche eine nitrierte Schicht 20 auszubilden. Nach der Salzbadnitrierung wird die Gleitfläche 11 des Ringelementes 10 zu einer gewölbten Form geschliffen. Die nitrierte Schicht 20 verbleibt dabei auf der oberen Fläche, der unteren Fläche und der inneren Umfangsflache des Ringelementes 10. Danach wird der äußere obere Umfangsrand 14 abgeschrägt, beispielsweise durch Schleifen. Der abgeschrägte Abschnitt erstreckt sich vom Rand 14 bis zum oberen Abschnitt der eingespritzten Schicht 12. Es ist ausreichend, wenn- die nitrierte Schicht 20 auf der unteren Fläche des Ringelementes 10 ausgebildet wird, da diese Schicht die Oberfläche des Elementes 10 härtet. Die Oberflächenhärte betrug Hv 350 bis 450 ohne Salzbadnitrierung und Hv 900 bis 1300 mit Salzbadnitrierung.

Wie vorstehend erwähnt, wird bei dieser Ausführungsform die Oberfläche des Ringelementes 10 einer Salzbadnitrierung unterzogen. Somit wird auf der unteren Fläche N kein stufenförmiger Verschleiß verursacht, wie in Figur 3 gezeigt. Das in Figur 4 dargestellte Maß, um das sich der Kolbenring verdreht, wird reduziert, und nahezu kein Teil des am oberen Abschnitt der Gleitfläche 11 freiliegenden Basismetalls führt zu einem Abrieb der oylinderbohrung 4. Da sich der Kilben-

ring dieser Ausführungsform ferner vom äußeren oberen Umfangsrand 14 bis über einen Teil der eingespritzten Schicht 12, die vom Basismetall konvex verläuft, erstreckt, wird in zuverlässigerweise ein Kontakt zwischen dem Basismetall und der Zylinderbohrung verhindert. Daher besteht keine Möglichkeit eines stufenförmigen Verschleißes der Zylinderbohrung.

Natürlich kann die vorliegende Erfindung auch bei einem Trapezring Anwendung finden.

Erfindungsgemäß wird somit ein Kolbenring vorgeschlagen, der ein mit einer sich entlang der Außenfläche des Ringes erstreckenden Ringnut versehenes Ringelement umfaßt. Innerhalb der Nut befindet sich eine eingespritzte Schicht aus geschmolzenem Metall, die nach außen konvex ausgebildet ist. Ein Rand der Gleitfläche, der von der Außenfläche des Ringes und der Außenfläche der eingespritzten Schicht gebildet wird, ist über seinen Umfang herum abgeschrägt. Der abgeschrägte Abschnitt erstreckt sich sowohl über das Basismetall als auch einen Teil der eingespritzten Schicht. Das Ringelement kann aus Stahl oder aus rostfreiem Stahl bestehen. Vorzugsweise ist der Innenrand des Ringes um seinen Umfang herum abgeschnitten, und die untere Fläche des Ringes ist einer Salzbadnitrierung unterzogen worden.

- Leerseite -

Claims

TeDTKE - BüHLING - KjNNE - GrUPE SeSSS EPA

O_ /"* O Dipl.-Ing. H.Tiedtke

Pellmann - Urams - 5truif DipL-chem. g. Bowing

Dipl.-Ing. R. Kinne

qqqt Dipl.-Ing R Grupe

O ο-Z D Dipl.-Ing. B. Pelliiiann

Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 20 8000 München

Tel.: 089-53 9653 Telex: 5-24 845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Münch<

-^Ί-9. Mai 1983

DE 3036

case TYT-3B65-DE

Patentansprüche

1 J Kolbenring für einen in einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Kolben, mit einem Ringelement, das mit einer Ringnut versehen ist, die entlang der äußeren Umfangsfläche des Ringelementes angeordnet ist, und mit einer in die Ringnut eingespritzten Schicht aus geschmolzenem Metall, die von der Außenfläche konvex vorsteht, wobei die Außenfläche und eine Oberfläche der Schicht eine Gleitfläche bilden, die mit der Zylinderbohrung in Gleitkontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß einer (14) der Ränder der Gleitfläche (11) über seinen Umfang abgeschrägt ist und daß sich der abgeschrägte Abschnitt von dem einen Rand (14) bis über einen Teil der Schicht (12) des Kolbenringes erstreckt.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der eingespritzten Schicht (12) 60 bis 80 $> der Dicke des Ringelementes (10) betragt und daß der Außenrand (H) über 30 bis 50 % dieser Dicke abgeschrägt ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand (14) unter einem Winkel

Dresdner Bnnk (München) KIu. 303BIM-I Oayur. Voroinsbnnk (München) KIo M)H <MI Poslscht-r.k (München) KIo 670 43 HCM

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von 10° bis 45° relativ zur Achse des Ringelementes (10) abgeschrägt ist.
4. Kolbenring nach einem der vorangehenden An-

sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem abgeschrägten Abschnitt entsprechende Ihnenrand (15) des Ringelementes (10) über seinen Umfang abgeschnitten ist.
5. Kolbenring nach Anspruch 4, dadurch gekenn -

zeichnet, daß der Innenrand (15) so abgeschnitten ist, daß er eine Schräge erhält.
6. Kolbenring nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägte Fläche unter einem Winkel von 45 re
(10) geneigt ist.

Winkel von 45 relativ zur Achse des Ringelementes
7. Kolbenring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrand (15) des Ringelementes

(10) stufenförmig ausgeschnitten ist.
8. Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (10) aus rostfreiem Stahl besteht und mindestens an seiner unteren Fläche (20) einer Salzbadnitrierung unterzogen worden ist.