DE4441136A1 - Druckring - Google Patents
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Description
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.
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.
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;
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.
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.
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.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |