DE4441136A1 - Druckring - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckring als Ausführung eines Kolbenringes und inbesondere auf einen Druckring, mit einer speziellen Endabschnittsanordnung, die eine geschlossene Fuge zwischen den aufeinandertreffenden Endabschnitten bildet, um die Bruchfestigkeit der Endabschnittsanordnung zu verbessern.

Im Allgemeinen sind ein Druckring und ein Ölring als Kolbenringe an einem Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung einer Kolbenbrennkraftmaschine befestigt. Der Druckring verhindert im Allgemeinen ein Durchblas-Phänomen, bei dem ein hochverdichtetes Verbrennungsgas von der Brennkammerseite in die Kurbelkammerseite tritt, und verhindert, daß übermäßig Schmieröl an der Innenwandoberfläche des Zylinders der Kolben-Zylinder- Anordnung in die Brennkammer eintritt. Auf der anderen Seite verhindert der Ölring ein sogenanntes Öl-Aufwärts-Phänomen, bei dem übermäßig Schmieröl an der Innenwandoberfläche des Zylinders in die Brennkammerseite von der Kurbelkammerseite eintritt und dann dort verbraucht wird.

Als eine Standardkombination von herkömmlichen Kolbenringen ist eine Kombination von zwei Druckringen bekannt, die aus einem oberen Ring und einem zweiten Ring, sowie einem Ölring zusammengesetzt ist. In jüngster Zeit wurde im Hinblick auf die Erfordernis von reduziertem Kraftstoffverbrauch von Kolbenbrennkraftmaschinen eine Kolbenringanordnung in Kombination eines Druckringes mit einem Ölring entwickelt, um die Verminderung des Reibungsverlustes zu ermöglichen, und die Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine zu verbessern.

Bei einer solchen Kolbenringanordnung, die aus einem Druckring und einem Ölring zusammengesetzt ist, ist es jedoch notwendig, auf den Erhalt der Öldichtungseigenschaft zu achten. Im Einzelnen ist es daher erforderlich, den Druckring einer solchen Kolbenringanordnung mit einer verbesserten Gasdichtungseigenschaft auszustatten. Es wird ein Druckring mit einer speziellen Endabschnittsanordnung (eine so genannte Doppelüberlappung), als ein solcher Druckring mit verbesserter Gasdichtigkeit, wie in Fig. 1 gezeigt, vorgeschlagen, und wie er zum Beispiel in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung No. 1-22916 beschrieben ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1, hat der Druckring 1 mit einer solchen speziellen Endabschnittsanordnung einen Endabschnitt 2, an dem ein Vorsprung 2a ausgebildet ist, und einen anderen Endabschnitt 3, an dem eine Aussparung 3a ausgebildet ist, um mit dem Vorsprung 2a in Eingriff gebracht zu werden. Der Druckring 1 ist zwischen seinen Endabschnitten 2 und 3 geweitet und in eine Ringnut, die an der äußeren Oberfläche eines Kolbens der Kolben-Zylinder-Anordnung ausgebildet ist, eingepaßt, und auf diese Weise sind der Vorsprung 2a und die Aussparung 3a eng miteinander verbunden, um dadurch ein öldichtes Gefüge der Endabschnitte 2 und 3 des Druckringes 1 zu ermöglichen.

Weiterhin ist beim Druckring mit der oben beschriebenen speziellen Endabschnittsanordnung, wie in Fig. 7 gezeigt, die äußere Oberfläche 4 des Kolbenringes, die an der inneren Oberfläche des Zylinders anliegt, mit einer 100 bis 150 µm dicken Chromschicht 5 überzogen, um ihr damit eine abriebfeste Eigenschaft zu verleihen.

Da jedoch beim Druckring mit dieser speziellen Endabschnittsanordnung die Chromschicht 5, die an der äußeren Oberfläche des Kolbenringes aufgebracht ist, eine Dicke t von 100 bis 150 µm hat, sind die Breite des Kolbenringes (normalerweise 1.2 bis 1.5 mm) und die Breite T des Vorsprungs 2a durch die Dicke der Chromschicht 5 um den Betrag entsprechend ihrer Dicke begrenzt, was das Widerstandsmoment Z in eine N- Richtung verringert, die für die Biegefestigkeit des Vorsprungs 2a steht, und somit den Vorsprung 2a des Kolbenringes spröde macht.

Weiterhin verringert die Verchromung die Überlappungslänge l, wie in Fig. 2 gezeigt, durch die Aufweitung der Endabschnittsanordnung des Kolbenringes aufgrund des sich daraus ergebenden Abriebs der Gleitoberfläche, und im Besonderen verschlechtert sich die Öldichteigenschaft bei einer hohen Umdrehungszahl der Kolbenbrennkraftmaschine, wodurch sich der Ölverbrauch erhöht. Die hier erwähnte Überlappungslänge ist die Länge eines Teils der Aussparung 3a des Endabschnittsteils, der mit dem Vorsprung 2a im zusammengesetzten Zustand, wie in Fig. 2 gezeigt, überlappt. Daher ist es notwendig die Überlappungslänge l von ungefähr 1,0 mm im Hinblick auf den Ölverbrauch als unteren Grenzwert zu erhalten, und im Falle von weniger als ungefähr 1,0 mm entsteht dadurch ein Problem, daß die Öldichtwirksamkeit verschlechtert wird und der Ölverbrauch erhöht wird.

Wenn im oberen Zusammenhang, wie in Fig. 2 gezeigt, die Überlappungslänge l zunächst um ein Maß verlängert wird, das der verkürzten Länge wegen der Abnutzung entspricht, um die Verkürzung der Überlappungslänge wegen der Aufweitung der Endabschnittsanordnung des Kolbenringes zu kompensieren, wird in gleichem Maße der Hebelarm des Vorsprungs 2a verlängert.

Dadurch wirkt, wenn eine vorgegebene Last auf den Vorsprung 2a wirkt, ein größeres Biegemoment auf den Ansatzbereich A des Zapfens 2a, wodurch dieser Ansatzbereich A leicht abbrechen kann.

Übersicht über die Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Defekte und Nachteile im oben beschriebenen Stand der Technik zu beseitigen, und einen Druckring mit einer speziellen Endabschnittsanordnung auszustatten, um die Bruchfestigkeit der Endabschnittsanordnung zu verbessern.

Diese und andere Aufgaben werden durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In Übereinstimmung mit dem Druckring der vorliegenden Erfindung der oben beschriebenen Ausführungsformen, wie in Fig. 4 gezeigt, hat die abriebfeste Beschichtung, die auf der äußeren Umfangsfläche des Druckringes aufgebracht ist, die an der inneren Umfangsfläche des Zylinders der Kolbenverbrennungsmaschine anliegt, eine geringe Dicke von 3 bis 30 µm, wobei die Breite des Druckringkörpers und die Breite T des Vorsprungs 2a vergrößert werden können, wodurch das Widerstandsmoment erhöht und die Biegefestigkeit des Vorsprungs verbessert wird, um leichtes Brechen desselben zu verhindern, im Vergleich zu einem Druckring herkömmlicher Bauart, wie er in Fig. 7 gezeigt ist.

Da weiterhin die abriebfeste Beschichtung 5, die auf der äußeren Umfangsfläche des Druckrings aufgebracht ist, eine höhere Abriebsfestigkeit hat, als man mit normalen Chromschichten erreichen kann, wird die Überlappungsfläche durch die Aufweitung des Druckringes als Folge des Abriebs kaum vergrößert, und die Öldichteigenschaft kaum beeinträchtigt, wodurch ein erhöhter Ölverbrauch vermieden wird.

Nachdem die Endabschnitte des Druckringes durch den Abrieb darüberhinaus nicht wesentlich aufgeweitet werden, kann die Überlappungslänge entsprechend verringert werden, wobei so der Hebelarm des Biegemoments verkürzt werden kann, und der dünne Ansatzbereich des Vorsprungs 2a kaum abbrechen kann.

Die Beschaffenheit und weitere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden mit den folgenden Beschreibungen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

In den folgenden Zeichnungen:

enthält Fig. 1 die Fig. 1A und 1B, in denen Fig. 1A eine Perspektivansicht des Druckringes entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, und Fig. 1B eine weiterentwickelte Perspektivansicht von Fig. 1A ist, von der ein Teil weggebrochen ist, und diese die spezielle Endabschnittsanordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
ist Fig. 2 eine Ansicht des Druckringes aus Fig. 1;
ist Fig. 3 ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Überlappungslänge des Druckringes und der Menge des Ölverbrauchs zeigt;

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung des Überlappungsbereichs;
ist Fig. 5 ein Graph, der den Zusammenhang zwischen dem Widerstandsmoment und der Bruchfestigkeit (Ermüdungsgrenze) des Druckringes der vorliegenden Erfindung zeigt;
sind die Fig. 6A mit 6C, ähnlich wie Fig. 1B, weiterentwickelte Perspektivansichten, von denen ein Teil weggebrochen ist, die die Druckringe mit speziellen Endabschnittsanordnungen, entsprechend anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen;
ist Fig. 7 eine Schnittansicht eines speziellen Endabschnittsteils eines herkömmlichen Druckringes.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird im Folgenden zuerst ein Druckring entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Druckring 1, wie er in einer Kolben- Zylinder-Anordnung einer Kolbenverbrennungsmaschine angebracht ist, wobei der Druckring aus Fig. 1 eine spezielle, sogenannte Doppelüberlappung (nach außen geneigte überlappende Verbindung) hat, und die spezielle Endabschnittsanordnung mit zwei Endabschnitten 2 und 3 ausgebildet ist, von denen Abschnitt 2 als ein Vorsprung 2a, und der andere Abschnitt 3 als eine Aussparung 3a ausgebildet ist, die mit dem Vorsprung 2a in Eingriff gebracht wird. In dieser Ausführungsform hat der Vorsprung einen dreieckigen Querschnitt, in Umfangsrichtung des Druckringes 1 gesehen, und die Aussparung 3a hat eine Form, die der dreieckigen Form des Vorsprungs 2a in einem zusammengefügtem Zustand entspricht.

Der Kolbenring aus Fig. 1 hat eine äußere Umfangsfläche, die an der inneren Umfangsfläche eines Zylinders der Kolben- Zylinder-Anordnung anliegt, in der der Druckring angebracht ist. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, ist eine abriebfeste Beschichtung 5 mit einer Dicke von 3 bis 30 µm auf der äußeren Umfangsfläche 4 des Druckringes aufgebracht, vorzugsweise zumindest auf der Oberfläche der äußeren Umfangsfläche 4, die an der inneren Umfangsfläche des Zylinders anliegt. Ist am Druckring 1 die 3 bis 30 µm dicke, abriebfeste Beschichtung 5 aufgebracht, wird das Biegemoment wie in Fig. 5 gezeigt, woraus ersichtlich wird, daß die Bruchfestigkeit bzw. die Ermüdungsgrenze in gleichem Maße erhöht wird, wie das Biegemoment. Desweiteren wird aus Fig. 5 deutlich, daß eine Bruchfestigkeit, die in der herkömmlicher Technik mit einer abriebfesten Beschichtung, in Form einer Chromschicht von 100 bis 150 µm Dicke erreicht wird, in der vorliegenden Ausführungsform mit einer abriebfesten Beschichtung von 3 bis 30 µm Dicke erzielt werden kann. Zum Beispiel erhöht sich, wie in Fig. 5 gezeigt, für den Fall einer abriebfesten Beschichtung von 30 µm Dicke, das Biegemoment von 0,146 auf 0.153 mm³ (Bereich einer minimalen Festigkeitsverbesserung), wodurch die Ermüdungsgrenze in gleichem Maße verbessert wird, und sich die Ermüdungsfestigkeit von 1,14 auf 1,20kgf erhöht. Für den Fall, daß die abriebfeste Beschichtung eine Dicke von 3 µm hat, erhöht sich das Biegemoment von 0,146 auf 0,162 mm³ (Bereich einer maximalen Festigkeitsverbesserung), wodurch die Ermüdungsgrenze in gleichem Maße verbessert wird, und sich die Ermüdungsfestigkeit von 1,14 auf 1,26 kgf erhöht.

Als Verfahren die abriebfeste Beschichtung in einer Dicke von 3 bis 30 µm auf den Druckring der vorliegenden Erfindung aufzubringen, werden alle Bearbeitungsschritte, die jene Eigenschaft der Abriebsfestigkeit durch das Verchromungsverfahren verbessern, angeglichen.

Diese Bearbeitungsschritte beinhalten zum Beispiel ein Ionenbeschichtungsverfahren, bei dem erhitzte und verdampfende Atome in einer Argon-Glühentladung ionisiert werden, wodurch die so erzeugten Idnen auf der negativ spannungsgeladenen Materialoberfläche des Druckrings auftreffen und darauf koaguliert werden, und dabei eine Schicht bilden; ein Kathodenzerstäubungsverfahren, bei dem ein Inertgas in einer Argon-Glühentladung ionisiert wird, wodurch die Inertgasionen auf ein negativ spannungsgeladenes Target auftreffen, und eine zerstäubte Substanz dieses Targets auf der Materialoberfläche des Druckrings koaguliert wird; ein physikalisches Bedampfungsverfahren (PVD-Verfahren), gleich einem Vakuumbedampfungsverfahren, bei dem Metall in einem Hochvakuum erhitzt und verdampft wird und die verdampften Atome auf der Materialoberfläche des Druckrings koaguliert werden; oder ein chemisches Bedampfungsverfahren (CVD-Verfahren), gleich einem Hitze-CVD-Verfahren, einem Plasma-CVD-Verfahren oder einem Licht-CVD-Verfahren.

Die abriebfesten Beschichtungen, die mit Hilfe der obigen Verfahren erzeugt werden, nutzen sich unwesentlich ab, so ist zum Beispiel die Größe der Abnutzung 1/36, verglichen mit der Beschichtung, die mit dem Verchromungsverfahren erzeugt wird. Entsprechend ist die Überlappungslänge lediglich 1.0 mm. So ist es möglich den Überlappungsbereich in einer minimal notwendigen Länge auszubilden, wodurch ebenfalls die Länge des Hebelarms L des Vorsprungs 2a verkürzt werden kann, um somit die Bruchfestigkeit zu verbessern. Darüberhinaus wird die Länge des Überlappungsbereichs durch die Abnutzung nicht verkürzt, so daß der Öldichtungseffekt, erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 3, nicht beeinträchtigt wird, und demzufolge der Ölverbrauch nicht erhöht wird.

Beim Druckring der vorliegenden Erfindung kann die abriebfeste Beschichtung, die auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes aufgebracht wird, aus einem Material wie die Nitride Cr-N, Cr₂N, TiN, Ti/Tin, TaN oder ZrN, einem Karbid, wie TiC, TaC oder SiC, oder einem Oxyd, wie Ta₂O₅ bestehen.

Die Fig. 6A mit 6C zeigen andere Ausführungsformen des Druckrings entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei denen die Vorsprünge 2a der Endabschnitte einen trapezförmigen und einen bogenförmigen Querschnitt haben, und die Aussparungen 3a, der anderen Endabschnitte, den Formen der Vorsprünge 2a im zusammengefügten Zustand des Druckrings entsprechen.

In diesen Ausführungsformen, entsprechend der vorliegenden Erfindung, sind die abriebfesten Beschichtungen in einer Dicke von 3 bis 30 µm ausgeführt, wie es in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben ist.

Claims (5)

1. Ein Druckring, für einen Kolben einer Kolben-Zylinder- Anordnung einer Kolbenbrennkraftmaschine, enthaltend einen Druckringkörper mit zwei Enden, die mit einer Fuge aneinanderstoßen und an denen Endabschnitte ausgebildet sind, von denen der eine Endabschnitt mit einem Vorsprung, und der andere Endabschnitt mit einer Aussparung versehen ist, die in den Vorsprung eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß eine abriebfeste Beschichtung zumindest an der äußeren Umfangsfläche des Druckringes, die an der inneren Umfangsfläche des Zylinders anliegt, mit einer Dicke von 3 bis 30 µm aufgebracht ist.

2. Ein Druckring nach Anspruch 1, bei dem die abriebfeste Beschichtung aus einem Nitrid, wie Cr-N, Cr₂N, TiN, Ti/TiN oder ZrN, einem Karbid, wie TiC, TaC oder SiC oder einem Oxyd, wie Ta₂O₅ besteht.

3. Druckring nach Anspruch 1, bei dem die abriebfeste Beschichtung durch ein physikalisches Bedampfungsverfahren oder ein chemisches Bedampfungsverfahren erzeugt ist.

4. Druckring nach Anspruch 1, bei dem die abriebfeste Beschichtung durch ein Ionenbeschichtungsverfahren erzeugt ist.

5. Druckring nach Anspruch 1, bei dem der Vorsprung einen trapezförmigen, dreieckigen oder bogenförmigen Querschnitt, in Umfangsrichtung des Rings gesehen, hat und die Aussparung eine zur Form des Vorsprungs der Endabschnittsanordnung passende Form hat.