DE3612456A1 - Tribologisch optimierter kolbenring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, dessen Eigenbewegungen in der Kolbennut so beeinflußt werden, daß ein optimales Funktions- und Verschleißverhalten resultiert.

Aufgabe: Die Kolbenabdichtung durch Kolbenringe hat einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Vorhandene Probleme sind zum größten Teil verschleißbedingt und begrenzen dadurch die Lebensdauer bzw. schränken die Funktion ein oder erfordern notwendige Zusatzmaßnahmen, wie z. B. den Einsatz verschleißfester Werkstoffe. Interessanterweise stellt sich vielfach kein gleichmäßiger Verschleißabtrag der verschleißbeanspruchten Flächen von Kolbenring und seinen Gleitpartnern Zylinderlauffläche und Kolbennutflanken ein, sondern typische Formen, die in ihrer Ausprägung z. T. über den Umfang stark schwanken.

Beispiele hierfür sind der sog. Zwickelverschleiß im oberen Totpunkt der Zylinder beim Dieselmotor, der vor allem die Druckseite befällt und in der Kolbenbolzenrichtung kaum auftritt, sowie der sog. Druckvertwistverschleiß (Literatur SAE-Technical-Paper-Series 7 90 863, 09/79), durch den die Form der Unterflanken von Ring und Kolbennut betroffen ist und der Einsatz von axial niedrigen Ringen begrenzt wird.

Als ein weiterer typischer Verschleißbereich sind die Laufflächen im Bereich der Stoßenden der Kolbenringe zu nennen, die z. T. einen mehrfach höheren Verschleiß als der Ringrückenbereich aufzeigen. Hierdurch kommt es z. B. beim Dieselmotor neben der Lebensdauerbeschränkung zu frühzeitigen Anlaßproblemen infolge undichter Stoßenden.

Aus der Beobachtung, daß trotz gleicher äußerer Belastungsgrößen wie Temperatur, Geschwindigkeit, Druck und chemischer Einwirkung örtlich z. T. deutlich unterschiedliche Verschleißabträge auftreten, entstand die Vermutung, daß eine oder mehrere wichtige zusätzliche Einflußgrößen den Verschleiß maßgeblich beeinflussen. Wenn es gelänge, durch geeignete Maßnahmen solche den örtlichen Verschleiß fördernde Einflußgrößen zu eliminieren oder ihre Bedeutung zu verringern, hätte dies eine große technische und wirtschaftliche Auswirkung. Daraus wurde die Aufgabenstellung abgeleitet, die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Verschleißphänomenen und ihren Ursachen soweit aufzuklären, daß eine systematische konstruktive Lösung eines tribologisch optimalen Kolbenringes ermöglicht wird, der gleichzeitig eine optimale Funktion hinsichtlich Blowby und Ölverbrauch aufweist.

Diese Zielvorstellung eines tribologisch optimierten Kolbenringes setzt voraus, daß die Entstehung von örtlich erhöhten Verschleißbeträgen bzw. von Verschleißformen, die von der Form im Neuzustand wesentlich abweichen, von der örtlichen konstruktiven Gestaltung der Bauteile beeinflußt wird und deshalb auch über den gleichen Weg beeinflußbar ist.

Lösung: Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als gemeinsame Ursache für die verschiedenen Verschleißphänomene örtlich erhöhten Verschleißes kinematisch bedingte Schmierungsstörungen angenommen und durch konstruktive Maßnahmen behoben werden. Unter "kinematisch bedingte Schmierungsstörungen" ist die neue Erkenntnis zu verstehen, daß durch Abheben einer Gleitfläche des Kolbenringes der Schmierfilm abreißt und beim Wiederaufsetzen der Gleitfläche nicht mehr in der vollen Form entstehen kann. Geschieht dies gar im Bereich des Verdichtungs- und Arbeitstaktes, kommt noch die Umströmung der Gleitflächen mit heißen Gasen hinzu.

Anders formuliert, lautet damit die erfindungsgemäße Lösung des Problems, durch konstruktive Maßnahmen dafür zu sorgen, daß der Ring während der Verdichtungs- und Arbeitsphase sowohl an der Unterflanke als auch an der Zylinderwand über den gesamten Umfang sicher anliegt. Dies bedeutet vor allem sichere Anlage auch der Stoßenden des Ringes an der Unterflanke im Hubbereich der entgegen der abzudichtenden Gaskraft wirkenden Massenkraft.

Die Grundlage der erfindungsgemäßen Lösungsvorschläge ist nämlich die ebenfalls neue Erkenntnis, daß sich die Stoßenden des Ringes trotz hohen abzudichtenden Gasdruckes häufig im druckausgeglichenen Zustand befinden, so daß kein ausreichend hoher Differenzdruck die Stoßenden gegen die nach oben wirkenden Massenkräfte sicher auf der Unterflanke festhält. Dadurch können die Stoßenden unter bestimmten Bedingungen sich sowohl von der Nutflanke als auch von der Zylinderwand lösen und die oben beschriebenen kinematisch bedingten Schmierungsstörungen auslösen.

Die im Hauptanspruch formulierte erfindungsgemäße Lösung soll deshalb durch konstruktive Maßnahmen den Druckausgleich zwischen Ober- und Unterflanke erschweren und/oder durch von Federn aufgebrachte Zusatzkräfte die Ringenden gegen die Massenkraft an der Unterflanke festhalten. Dadurch wird gleichzeitig der Ringwechsel unter Gasdruck, der nach der neuen Erkenntnis immer von den Stoßenden ausgeht, weitgehend unterbunden und dadurch die Ringbruchgefahr vermindert.

Die konstruktiven Lösungsvorschläge sollen das Eindringen des Gases zwischen die Unterflanken von Ring und Nut durch das Vermeiden von Strömungskanälen vom Stoß her vermindern und andererseits das trotzdem eingedrungene Gas durch schnelles Abströmen von den Stoßenden weg entspannen. Dadurch wird ein Druckausgleich zwischen Ober- und Unterflanke vermieden und eine ausreichende Druckdifferenz sichergestellt, durch die die Stoßenden entgegen der Massenkraft an der Unterflanke liegen bleiben.

Eine weitere Möglichkeit, die sichere Untenanlage des Ringes an den Stoßenden zu gewährleisten, besteht in dem Einsatz von axial nach unten wirkenden Federkräften. Dabei können diese Federkräfte sowohl aus der speziellen konstruktiven Gestaltung der Stoßenden oder aber aus zusätzlichen Federelementen stammen. Besonders wirkungsvoll ist die Kombination von Gasdruckentlastung und axialer Federwirkung.

Die Erfindung ist an zwei Ausführungsbeispielen dargestellt und im folgenden genauer beschrieben:

In Fig. 1 ist die untere Laufflächenkante (1) des Kolbenringes an beiden den sogenannten Stoß bildenden Enden scharfkantig ausgebildet. In einem Abstand (a) vom Stoß geht diese scharfe Kante in eine Fase über. Zur weiteren Verbesserung des Druckabbaus sind im scharfkantigen Ende rechts im Bild Entspannungskerben (3) angebracht, die als Labyrinthdichtung wirken.

In Fig. 2 sind die Stoßenden des Kolbenringes axial federnd ausgebildet. Links im Bild ist der radial innere Bereich (5) des Kolbenringes als federndes Element nach oben gebogen und stützt sich im eingebauten Zustand an der oberen Kolbennut ab. Rechts im Bild ist der Ring in einen unteren Teil (6) und einen oberen Teil (7) getrennt. Im eingebauten Zustand stützt sich dieser obere Teil ebenfalls federnd an der oberen Nutflanke ab.

Claims (10)

1. Kolbenringe zur Abdichtung von Gasen, selbstspannend oder mit Federunterstützung, dadurch gekennzeichnet, daß durch konstruktive Maßnahmen im Stoßbereich der Druckausgleich über die Unterflanke erschwert wird und daß die Stoßenden ggf. mit zusätzlichen Federelementen oder durch eigene federartige Ausbildung entgegen der Massenkraft auf die Unterflanke gedrückt werden.

2. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Lauffläche im Stoßbereich relativ scharfkantig ausgebildet ist und am übrigen Umfang oder in Teilbereichen des Umfanges in eine Fase übergeht.

3. Kolbenringe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der umlaufenden Fase eine umlaufende Rille in der Lauffläche mit nach unten gerichteten Kanälen vorhanden ist.

4. Kolbenringe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Laufflächenkante im Stoßbereich ein oder mehrere Unterbrechungen aufweist, z. B. in Form von Kerben, so daß für das vom Stoß einströmende Gas eine Labyrinthdichtung entsteht.

5. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterflanke nur in ihrem inneren Bereich eine relativ glatte abdichtende Oberfläche aufweist und im äußeren Bereich zur Druckentlastung Vertiefungen besitzt in Form von z. B. größeren Bearbeitungsriefen.

6. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenden leicht nach unten vorgebogen sind, so daß sie mit Vorspannung an der Unterflanke anliegen, wenn der Gasdruck den übrigen Ring nach unten drückt.

7. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenden in Umfangsrichtung so geteilt sind, daß der radial innere Teil als federnde Zunge nach oben gebogen und der radial äußere Teil ggf. nach unten vorgebogen ist.

8. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenden in Umfangsrichtung so geteilt sind, daß der obere Teil als federnde Zunge nach oben gebogen und der untere Teil ggf. nach unten vorgebogen ist.

9. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche axial wirkende Feder entweder über den ganzen Umfang oder nur an den Stoßenden, z. B. in einer Aussparung des Kolbenringes, liegt, wodurch zumindest beide Stoßenden gegen die Unterflanke gedrückt werden.

10. Kolbenringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenden in ihrer inneren Fläche konisch bearbeitet sind und von einem Federelement mit ebenfalls konischer Anpreßfläche gedrückt werden, so daß jeweils eine Kraftkomponente nach unten auf die Unterflanke und radial nach außen auf die Zylinderwand wirkt.