DE4338074A1 - Kolbenring mit "Y"-Querschnitt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kolbenringe und insbesondere einen Kolbenring mit Y-förmigem Querschnitt.

Kolbenringe sind bekannt. Sie sind gewöhnlich in einer ringförmigen Nut aufgenom­ men, die am Außenumfang eines Kolbens ausgebildet ist. Der Kolben seinerseits ist in einem Zylinder hin- und herbewegbar, wobei er Fluide, z. B. Gase in den Zylinder zusammenpreßt. Bei einer Brennkraftmaschine werden diese Fluide gezündet und expandieren, wodurch der Kolben vom Punkt der Zündung weggedrückt wird. Kon­ ventionelle Kolbenringe stehen nicht über ihren gesamten Umfang in Kontakt mit den Wänden des Zylinders. Statt dessen besteht an ihren Enden ein Zwischenraum, der zu einem unerwünschten Austritt von Fluiden aus dem Zylinder führt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad reduziert und in einigen Fällen z. B. bei Brennkraftmaschinen wird die Umgebung schädlich beeinflußt. Ferner können solche Fluide und Gase an dem Teil des Ringes vorbeiströmen, der in der ringförmigen Nut des Kolbens aufgenom­ men ist. Axial wirkende Belastungen des Ringes führen zu einem Verschleiß des Ringes und der Seiten der Kolben-Nut. Hierdurch kann noch mehr Gas an dem Ring vorbeiströmen.

Kolbenringe, die in dichtendem Eingriff mit einer Zylinderwand stehen, sind bekannt. Bei einem derartigen Kolbenring sind mehrere Lagen zusammengenietet um die Dichtung zu bilden. Solche Dichtelemente haben jedoch einige Nachteile. Zunächst sind solche Kolbenringe in der Herstellung teuer wegen ihres komplizierten Aufbaues. Ferner sind viele solcher Dichtelemente schwierig einzubauen wodurch die für den Zusammenbau erforderliche Zeit verlängert wird. Auch wenn sie korrekt eingebaut sind haben diese Dichtelemente eine unerwünscht hohe Reibungs-Wechselwirkung zwischen Kolbenring und Zylinderwand. Dies führt zu erhöhtem Verschleiß sowohl am Dichtelement wie an der Zylinderwand mit einem entsprechend reduziertem Wirkungsgrad des Kolbens im Betrieb.

Die Erfindung betrifft nun einen Kolbenring mit einem Y-Querschnitt und ein Ver­ fahren zu seiner Herstellung.

Nach der Erfindung wird ein Kolbenring mit geringem Gewicht und erhöhten Dich­ tungseigenschaften preiswert hergestellt unter Verwendung von Roll- und Walzver­ fahren. Der Ring besteht aus einem einzigen Materialstreifen, der einen zentralen Steg mit einem integralen inneren Ende hat. In einer Ausführungsform hat der zentrale Steg zwei überlappende Abschnitte, die an einem Punkt im Abstand vom inneren Ende sich trennen, um zwei Flansche zu bilden, die sich seitwärts nach außen in einem Winkel bezüglich dem restlichen zentralen Stegabschnitt erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das äußere Ende jedes Flansches wider­ standsfähig gegen Verschleiß und Reibung behandelt.

Das Dichtelement ist in einer ringförmigen Nut am Außenumfang eines Kolbens aufgenommen. Die Nut hat einen radial einwärts verlaufenden Abschnitt zur Auf­ nahme des zentralen Steges des Ringes, dessen Umfangsenden aneinander anstoßen wenn sie in den Zylinder eingebaut sind. Die Nut hat ferner einen radial auswärts verlaufenden V-förmigen Abschnitt, der durch zwei geneigte Flächen gebildet ist. Jede Oberfläche liegt unter einem Flansch.

Wenn der Kolbenring nach der Erfindung an dem Kolben montiert und in den Zylinder eingebaut wird, stoßen die Umfangsenden aneinander an und bilden einen kontinuier­ lichen Ring. Dieses Merkmal der Erfindung beseitigt die Lücke, durch die Gase entweichen können, wie dies bei konventionellen Kolbenringen der Fall ist. Der freie und unbelastete Außendurchmesser der Flansche ist größer als der Durchmesser des Zylinders, in den sie eingebaut werden. Es ist somit die Nachgiebigkeit oder die Elastizität der V-förmigen Flansche, die den Zusammenbau ermöglichen und die Dichtung zwischen Kolben und Zylinderfläche erhöhen.

Ein äußeres Ende jedes Flansches wird federnd gegen die Zylinderwand gedrückt wenn der Kolben in den Zylinder eingebaut wird. In einer bevorzugten Ausführungs­ form haben die Flansche eine gemeinsame Länge und einen gemeinsamen aber entgegengesetzten Winkel bezüglich dem zentralen Steg. Die Flansche können in selektiven Kontakt mit den geneigten Flächen des V-förmigen Abschnittes der Kolbennut gelangen, um weiterhin den Dichtungsgrad zu steigern.

Ein Kolbenring nach der Erfindung eignet sich für zahlreiche Anwendungsfälle ein­ schließlich Brennkraftmaschinen und Kompressoren.

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

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Kolben und einen Zylinder nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Teils der Baugruppe nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine zweite Ausführungsform eines Kolbenringes nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt im Schnitt ein Verfahren zur Herstellung der Ausführungsform nach Fig. 3 im Detail.

In Fig. 1 ist eine Baugruppe 20 dargestellt, die einen Zylinder 22 mit einem ringför­ migen Kolben 24 umfaßt, der in dem Zylinder hin- und her bewegbar ist. Der Kolben 24 hat eine ringförmige Nut 26 an einer äußeren Umfangsfläche. Ein einstückiger ringförmiger Kolbenring oder ein Dichtelement 28 ist in die Nut 26 eingebaut, um einen dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben 24 und einer inneren Umfangsfläche 29 der Zylinderwand 30 zu schaffen. In der dargestellten zusammengebauten Posi­ tion liegen die Umfangsenden 31 des Dichtelementes 28 aneinander an.

Wie Fig. 2 im Detail zeigt, ist das Dichtelement 28 aus einem einzigen Material­ streifen z. B. aus Stahl geformt und es umfaßt einen zentralen Schenkel oder Steg 32, der durch zwei sich überlappende bzw. übereinander liegende Abschnitte 34 und 36 gebildet ist. Da der zentrale Steg 32 vorzugsweise durch Falten des Material­ streifens gebildet ist, entsteht ein integrales kontinuierliches inneres Ende 38 des zentralen Steges 32.

Zwei Flansche, ein oberer Flansch 40 und ein unterer Flansch 42 erstrecken sich seitwärts nach außen in einem Winkel von einem äußeren Rand 44 des zentralen Steges 32, wobei der Flansch 40 von dem Abschnitt 34 und der Flansch 42 von dem Abschnitt 36 ausgeht. Der äußere Rand 44 hat radial nach außen einen Abstand vom inneren Ende 38.

Im Betrieb wenn der Kolben 24 im Zylinder hin- und her bewegt wird, reduziert das Dichtelement 28 das Durchblasen von Verbrennungsgasen. Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die positive Abdichtung zwischen dem Element 28 und einer inneren Oberfläche 29 der Zylinderwand 30, die aus dem totalen Umfangskontakt zwischen den beiden Teilen resultiert. Das Dichtelement 28 wird auf den Kolben 24 montiert und in den Zylinder 22 eingesetzt als allgemein ringfömiger Ring mit zwei separaten Enden. Wenn die Teile zusammengebaut sind, stoßen die Enden des Dichtelementes 28 aneinander an und bilden einen kontinuierlichen ringförmigen Ring, dessen Enden aneinander liegen. Dieses Merkmal der Erfindung beseitigt einen Weg oder eine Lücke für den Austritt von Gasen, wie dies bei konventionellen Dichtelementen üblich ist. Der freie und unbelastete Außendurchmesser der Flansche 40 und 42 ist größer als der Innendurchmesser des Zylinders, in welchen die Flansche eingebaut werden. Für den Zusammenbau werden die Flansche 40 und 42 radial nach außen vorgespannt, so daß ein äußeres Ende 45 jedes Flansches gegen die Innenfläche 29 der Zylin­ derwand 30 angedrückt wird. Es ist dieses Federungsvermögen oder diese Nachgie­ bigkeit der V-förmigen Flansche, die einen Zusammenbau erlauben und die Dichtung zwischen dem Kolben 24 und der inneren Oberfläche 29 steigern. Die radial einwärts gerichtete Kraft gegen die Flansche 40 und 42, die aus dem Einbau des Kolbens 24 mit dem Dichtelement 28 in den Zylinder 30 resultiert, drückt die Umfangsenden 31, wie Fig. 1 zeigt, in aneinander stoßenden Eingriff miteinander im zusammengebau­ ten Zustand. In der dargestellten Ausführungsform hat jedes äußere Ende 45 eine äußere Endfläche 46. Die Endfläche 46 ist vorzugsweise eine zylindrische Fläche zentriert um die ringförmige Achse des Dichtelementes 28 und parallel zur inneren Oberfläche 29. Um unerwünschte Reibungseffekte zwischen dem Dichtelement 28 und der Oberfläche 29 zu verhindern, den erforderlichen Dichtungseingriff aufrecht zu erhalten, wird der wirkliche Flächenkontakt soweit wie möglich begrenzt.

Wenn der Kolben 24 als Folge der Fluid-Expansion abwärts gedrückt wird, z. B. beim Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches, nimmt der Flansch 40 den größten Teil der resultierenden Ring-Belastung auf. Der Flansch 42 gibt dem Dichtelement Stabilität und unterstützt die Abdichtung längs des Innendurchmessers 47 der Nut 26. Der Flansch 42 bewirkt außerdem eine Öl-Kontrolle, falls erforderlich, durch Abstreifen von restlichem Öl abwärts längs der Oberfläche 29 der Zylinderwand 30. Damit der Flansch 42 dem Dichtelement 28 im Betrieb Stabilität geben kann, haben die Flan­ sche 40 und 42 eine gemeinsame Länge und teilen einen gemeinsamen aber ent­ gegengesetzten Winkel bezüglich des zentralen Steges 32. Das äußere Ende 45 jedes Flansches hat somit vom äußeren Rand 44 einen gleichen radialen Abstand nach außen.

Die Nut 26 hat einen radial einwärts verlaufenden Abschnitt 48, der den zentralen Steg 32 aufnimmt. Der zentrale Steg 32 ist vorzugsweise in dem Teil 48 nicht befestigt, da dies zu einem Anfressen des Kolbenringes führen könnte. Durch Falten des Materialstreifens in sich überlappende Abschnitte 34 und 36 und deren Biegung in die gewünschte Form, entsteht eine größere Dicke am Innendurchmesser des zentralen Steges 32. Als Folge hiervon wird der seitliche Zwischenraum reduziert und ein engerer Sitz am Innendurchmesser 47 erzielt. Dies verhindert, daß Gase zwischen dem inneren Ende 38 des Dichtelementes 28 und dem Innendurchmesser 47 der Nut 36 durchtreten. Hierdurch wird eine verbesserte Dichtung geschaffen, welche die aneinander grenzenden Enden des Dichtelementes 28 mit umfaßt. Ferner sind infolge des integralen kontinuierlichen inneren Endes 28 keine Befestigungsmittel wie z. B. Nieten erforderlich. Hierdurch wird die Herstellung und der Zusammenbau weiter vereinfacht.

Der engere Sitz reduziert ferner den Verschleiß zwischen dem Element 28 und der Nut 26. Bei konventionellen Ringen führen Trägheitskräfte wie z. B. axial wirkende Belastungen auf den Kolbenring zu einem Verschleiß des Ringes und der Seiten der Kolben-Nut. Der Verschleiß wird weiterhin verringert infolge des geringen Gewichtes des Dichtelementes 28 das, wie gesagt, aus einem einzigen Materialstreifen geformt ist.

Die Nut 26 umfaßt ferner einen radial auswärts verlaufenden V-förmigen Abschnitt mit zwei geneigten Flächen 50 und 52. Jede dieser Flächen liegt unter einem der Flansche 40 und 42. Diese geneigten Flächen helfen, den Grad der Abdichtung zu kontrollieren oder zu steuern indem sie die Abbiegung der Flansche beeinflussen. Wenn der Kolben 24 sich im Zylinder 22 auf- und abbewegt, können sich die Flan­ sche 40 und 42 durchbiegen, wobei der Flansch 40 in selektiven Kontakt mit der Flächen 50 und der Flansch 42 in selektiven Kontakt mit der Fläche 52 gelangt. Die Fläche 50 und 52 können weg von den Flanschen 40 und 42 liegen und sie können in einem größeren Winkel als die beiden Flansche geneigt sein, um die gewählte Abbiegung oder Durchbiegung der Flansche zu ermöglichen.

Das Dichtelement 28 kann unter Verwendung von Roll-Form-Verfahren billig herge­ stellt werden. Der Materialstreifen kann umgefaltet werden, um die überlappenden Abschnitte 34 und 36 zu bilden. Der Streifen kann dann auf den gewünschten Durchmesser gebogen werden. Rollwerkzeuge können dann verwendet werden, um die Flansche 40 und 42 zu formen. Der Streifen wird dann auf die richtige Umfangs­ länge geschnitten und die Enden 31, wie Fig. 1 zeigt, gelangen in aneinander liegenden Eingriff in der zusammengebauten Lage. Die äußeren Enden 45 können abgeschliffen werden, um äußere Stirnflächen 46 zu bilden.

Das Dichtelement 28 eignet sich für eine große Zahl von Anwendungen. Ein Haupt­ faktor bei der Konstruktion von Kolbenringen betrifft den durch das Dichtelement auf die Zylinderwand ausgeübten Druck. Es ist erwünscht, eine gute Gleichmäßigkeit und einen relativen kleinen Druckverlust zu erreichen aufgrund einer geringeren Abbiegung als Folge des Verschleißes von Zylinder und Kolbenring. Parameter, die bei Ver­ wendung der Erfindung ohne weiteres geändert werden können, umfassen das Material, aus dem das Dichtelement 28 hergestellt ist, die Belastung oder Span­ nungsfunktion des gewählten Materiales, seine Dicke, die Länge des zentralen Steges 32, der Flansche 40 und 42 und die Größe der zulässigen Durchbiegung.

Eine alternative Herstellungsmethode für ein Dichtungselement 59 ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. In Fig. 3 ist ein rohrförmiger Vorrat an Material 60 mit einem dicken Querschnitt in einem rotierenden Maschinenfutter 62 angeordnet. Dieser Vorrat kann Gußeisen oder Stahl sein. Das Dichtelement 59 wird so geformt, daß es Flansche 40 und 42 hat. Anders als bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 jedoch hat der zentrale Steg 62 einen massiven integralen Querschnitt anstelle der sich überlappenden Abschnitte 34, 36.

Das Verfahren zur Herstellung des Dichtelementes 59 ist im Detail in Fig. 4 darge­ stellt. Das Material 60 wird durch das rotierende Maschinenfutter 62 hindurch geführt. Wenn das Material vorrückt werden durch ein Formwerkzeug 64 die äußeren geneigten Oberflächen 66 und 68 der Flansche 40 und 42 geformt durch Entfernen von Material. Wenn dann das Material 60 weiter vorrückt, werden durch ein Form­ werkzeug 69 die inneren geneigten Oberflächen 70 und 72 der Flansche 40 und 42 durch Abtragen von Material geformt. Ein Trägerstreifen 74 zwischen benachbarten Dichtelementen 59 verbleibt. Ein bewegliches Werkzeug 76 trennt das Dichtelement 59 vom Streifen 74 ab. Zuletzt wird jedes Dichtelement radial durchgeschnitten, um die Umfangsenden 31 zu bilden.

In der Praxis wird das Dichtelement vorzugsweise hergestellt aus einem plattierten Stahl der Kupfer enthält, um den Wärmetransport zur Zylinderwand 30 zu fördern. Das Dichtelement kann damit bei hohen Temperaturen verwendet werden. Um die Lebensdauer der Baugruppe 20 weiterhin zu steigern können die äußeren Enden 45 gegen Verschleiß behandelt sein. Eine solche Behandlung kann eine Chrom-Plattierung oder eine Gas-Nitrierung umfassen, ist aber hierauf nicht beschränkt. Eine Reibungs- Behandlung kann ebenfalls bevorzugt werden. Bei dem Materialstreifen können die Enden geformt und gegen Verschleiß oder Reibung behandelt werden ehe der Strei­ fen durch ein Roll-Verfahren in seine Form gebracht wird.

Claims (19)

1. Kolbenring, gekennzeichnet durch einen einzigen Metallstreifen, der zu einem geteilten Ring geformt ist, welcher zwei Umfangsenden und einen zentralen Steg mit einem integralen inneren Ende hat, ferner durch zwei Flansche, die sich seitlich nach außen vom Außenrand des zentralen Steg es aus erstrecken und in Winkeln in entgegengesetzten Richtungen zueinander verlaufen und die so geformt sind, daß die Flansche sich in eine radiale Position erstrecken, die größer ist als ein radiales Maß einer inneren Umfangsfläche eines Zylinders, in welchem der Kolbenring aufgenommen ist, um die Umfangsenden in zusam­ mengebautem Zustand in eine aneinander anstoßende Position zu bringen.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Steg durch zwei sich überlappende Abschnitte des Streifens gebildet ist, und daß jeder der Flansche von einem Außenrand von jedem dieser sich überlappende Abschnitte ausgeht.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Steg einen massiven integralen Querschnitt hat.

4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein plattierter Stahl ist.

5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche eine gemeinsame Länge und einen gemeinsamen Winkel haben, der jedoch ent­ gegengesetzt bezüglich des zentralen Steges liegt.

6. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktende jedes Flansches mit der Zylinderwand von einem gemeinsamen Punkt aus­ geht, der einen radialen Abstand nach außen von dem inneren Ende des zentralen Steges hat.

7. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Ring um eine Achse zentriert ist, daß der Ring ferner ein Ende mit einer Stirnfläche hat, welche die Zylinderwand berührt, und daß diese Fläche zylindrisch rund um die Achse zentriert ist.

8. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende jedes Flansches für den Kontakt mit der Zylinderwand gegen Verschleiß und Rei­ bung behandelt ist.

9. Baugruppe mit einem Zylinder, der eine innere Umfangsfläche hat, die eine Bohrung bildet sowie einem ringförmigen Kolben, der in der Bohrung hin- und her bewegbar ist und der eine ringförmige Nut an seiner äußeren Umfangs­ fläche hat, gekennzeichnet durch ein einstückiges Dichtelement, das in der Nut montiert ist, um einen dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben und einer Wand an der inneren Umfangsfläche des Zylinders zu schaffen, daß ferner das Dichtelement aus einem einzigen Metallstreifen geformt ist und einen zen­ tralen Steg aufweist, der aus zwei sich überlappenden Abschnitten gebildet ist, sowie einen Flansch, der sich seitlich nach außen von jedem der sich überlappenden Abschnitte aus erstreckt, daß ferner ein äußeres Ende jedes Flansches in dichtendem Eingriff mit dieser Wand steht, daß die Nut einen radial einwärts verlaufenden Abschnitt aufweist zur Aufnahme des zentralen Steges sowie einen radial auswärts verlaufenden V-förmigen Abschnitt mit zwei geneigten Flächen, von denen jede unter einem der Flansche liegt.

10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses äußere Ende eine äußere Stirnfläche aufweist, die parallel zu der Zylinderwand liegt.

11. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses äußere Ende jedes Flansches kontinuierlich radial gegen die Wand angedrückt wird.

12. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß jeder Flansch eine gemeinsame Länge und einen gemeinsamen Winkel hat, der jedoch entgegen­ gesetzt bezüglich des zentralen Steges liegt.

13. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende gegen Verschleiß behandelt ist.

14. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche sich durchbiegen können und in selektiven flachen Kontakt mit einer der geneigten Oberflächen gelangen können während der Hin- und Herbewegung des Kol­ bens im Zylinder.

15. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifen aus einem Material gefaltet wird, um zwei überlappende Ab­ schnitte mit einem integralen kontinuierlichen inneren Ende zu bilden, daß zwei Flansche gebildet werden indem die sich überlappenden Abschnitte an einem Punkt, der einen Abstand von diesem inneren Ende hat, getrennt werden, daß ein zentraler Steg sich von diesem inneren Ende zu diesem Trennungspunkt erstreckt, daß die beiden Flansche so gebogen werden, daß sie sich seitlich nach außen in einem Winkel bezüglich des zentralen Steg es erstrecken, daß der Streifen abgeschnitten wird und daß die Enden des abgeschnittenen Streifens im zusammengebauten Zustand aneinander stoßen und die Flansche sich radial auswärts von dem zentralen Steg erstrecken.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen auf einen gewünschten Durchmesser gebogen oder gewickelt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Ende jedes Flansches behandelt wird, um es gegen Verschleiß widerstandsfähig zu machen.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende jedes Flansches denselben Abstand von dem Trennungspunkt hat.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende geschliffen wird, um eine äußere Stirnfläche zu bilden.