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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung eines zusammengesetzten Ölrings, welcher
prinzipiell bei einer Brennkraftmaschine verwendet wird,
und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines
durch eine Seitenschiene verstärkten
Abstands-Spreizelements zum Abkratzen von überschüssigem Öl von einer
Innenwandung eines Zylinders.
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Mit der momentanen Entwicklung in Richtung von
Brennkraftmaschinen mit höherer Last ist eine Nitrierbehandlung an
einer Seitenschiene eines zusammengesetzten Ölrings
angewandt worden, welcher aus Stahl hergestellt ist (siehe
japanische Patentveröffentlichung Nr. 61888/1982 oder
japanische Patentveröffentlichung Nr. 136771/1983). Dies
führt zum Auftreten eines abnormalen Abrieb-Phänomens einer
Ölringnut eines aus einer Aluminiumlegierung hergestellten
Kolbens bei einigen Maschinen, welche bleifreies Benzin
verwenden. Es wird angenommen, daß der abnormale Abrieb der
Ölringnut an folgendem liegt:
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Die Härte einer nitrierten Schicht ist im Vergleich mit
einer Aluminiumlegierung zu hoch.
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Ein zusammengesetzter Ölring ist in einer Ölringnut eines
Kolbens aufgenommen, und eine Seitenschiene dreht sich um
eine Achse, während ein Endabschnitt derselben aufwärts und
abwärts schwingt.
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Wenn aus irgendeinem Grund eine Relativdrehung zwischen der
Seitenschiene und der Ölringnut verursacht wird, dann wird
die Wandungsoberfläche der Ölringnut manchmal durch die
nitrierte harte und scharfe Kante des Endabschnitts der
Seitenschiene abnormal abgenutzt.
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In Anbetracht der vorangehend Punkte sind bei den Ölringen
die folgenden Maßnahmen ergriffen worden.
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1) Ein abgeschrägter Abschnitt wird am Innenumfang der
Seitenschiene vorgesehen, um die Reibung durch Drehung
innerhalb der Ölringnut zu verringern (siehe offengelegtes
japanisches Gebrauchsmuster 34343/1988).
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2) An Eckabschnitten zwischen einer Stirnoberfläche und
oberen und unteren Oberflächen werden sanfte Abschrägungen
vorgesehen (siehe offengelegtes japanisches Gebrauchsmuster
Nr. 178274/1989).
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3) Nur der Endabschnitt der Seitenschiene wird nicht
nitriert (siehe offengelegtes japanischens Gebrauchsmuster
Nr. 72863/1990).
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Wenn jedoch die Nitrierbehandlung bei den oberen und
unteren Oberflächen angewandt wird, dann sind die vorangehend
beschriebenen Maßnahmen (1) oder (2) manchmal ungenügend.
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Andererseits wird die an einem Kolbenring durchgeführte
Nitrierbehandlung durch Gasnitrieren oder Salzbadnitrieren
durchgeführt. Gemäß diesen Verfahren wird nicht nur die
Außenumfangsoberfläche sondern auch die untere und die
obere Oberfläche und eine Innenumfangsoberfläche nitriert.
Wie eben erwähnt, wird im Querschnitt der gesamte
Umfangsabschnitt des Rings nitriert. Daher nimmt, wenn ein dickes
Nitrieren bei einem dünnen Ring angewandt wird, die
Sprödigkeit mit dem Nitrieren zu und die Bruchfestigkeit des
Materials wird verringert. Dies kann keine Antwort auf die
Anforderung eines dünneren Rings und einer hohen
Abriebfestigkeit sein. Unnötig nitrierte Abschnitte sollten durch
Bearbeitung nach der Nitrierbehandlung entfernt werden oder
eine Anti-Nitrierbehandlung sollte angewandt werden, um
Nitrierschichten an den oberen und unteren Oberflächen der
Seitenschiene zu entfernen. Dies erfordert beträchtliche
Aufwendungen bezüglich der Technik und der Kosten.
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Bei der in dem obigen Punkt (3) beschriebenen
Anti-Nitrierbehandlung wird eine Beschichtung aus Nickel, Kupfer etc.
auf den Endabschnitt aufgebracht, was bei dem
Herstellungsvorgang nachteilhafterweise unzweckmäßig ist.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung abnutzungsfester
Kolbenringe ist in der US-A-3 364 547 offenbart. Eine
äußere Beschichtung wird auf den Ring durch Aufsprühen
einer dünnen Beschichtung eines abnutzungsfesten Materials
aufgebracht, welches aus Molybden, Wolfram, Tantal und
Osmium ausgewählt ist. Ein derartiges Verfahren beinhaltet
jedoch zusätzliche teure und zeitaufwendige
Verfahrensschritte.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung einer Seitenschiene eines
zusammengesetzten Ölrings vorzusehen, welches auf die Anforderungen
eines dünneren Rings und einer Abriebfestigkeit eingeht und
zusätzlich ein Auftreten einer abnormalen Abnutzung einer
Ölringnut verhindern kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Herstellung einer Seitenschiene eines zusammengesetzten
Ölrings vorgesehen, welcher ein Abstands-Spreizelement
aufweist, umfassend die Schritte des Wickelns eines
Streifens von Schienenmaterial, des Zusammensetzens des
gewikkelten Materials auf einer Lehre, um eine Spule mit
benachbarten Oberflächen zu bilden, welche in Kontakt miteinander
stehen und bei welchen nur die Außenumfangsoberfläche
freiliegt, und des Schneidens der Spule in einzelne
Schienen mit einem Spalt, welcher ein Paar von Stirnflächen
bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner
den Schritt der Anwendung einer Ionen-Nitrierbehandlung an
der freiliegenden Außenumfangsoberfläche der Spule umfaßt,
um eine Ionen-Nitrierbehandlungsschicht darauf zu bilden.
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Eine bevorzugte Seitenschiene eines zusammengesetzten
Ölrings, welcher mit einem Abstands-Spreizelement versehen
ist, die durch dieses Verfahren hergestellt wird, umfaßt
eine nitrierte Schicht, die nur auf einer
Außenumfangsoberfläche der Schiene gebildet ist, wobei die nitrierte
Schicht eine Ionen-Nitrierbehandlungsschicht ist, und wobei
obere und untere Oberflächen der Seitenschiene
Basisoberflächen sind.
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In dem Falle, in dem obere und untere Oberflächen oder
obere und untere Oberflächen und eine
Innenumfangsoberfläche mit weichen Oberflächenbehandlungsschichten
ausgebildet sind, wird die weiche Oberflächenbehandlung in den
Schritten an der oberen und unteren Oberfläche oder der
oberen und unteren Oberfläche und einer
Innenumfangsoberfläche vor dem Schritt des Fertigstellens des Werkstücks
angewandt. In dem Falle, in dem die Innenumfangsoberfläche
mit einer harten Chromplattierungsschicht ausgebildet wird,
wird die Hartchromplattierbehandlung in den Schritten an
der Innenumfangsoberfläche vor oder nach dem
Schneideschritt angewandt.
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Die vorangehend beschriebene weiche Oberflächenbehandlung
ist eine Oberflächenbehandlung, die aus einer Gruppe
ausgewählt ist, bestehend aus: einer
Phosphat-Beschichtungsbehandlung, einer Ferrox-Beschichtungsbehandlung, einer
Sulfid-Beschichtungsbehandlung, einer
Zinn-Plattierungsbehandlung, einer Weichlegierungs-Plattierungsbehandlung,
einer Kupfer-Plattierungsbehandlung und einer Harz-Fluorid-
Beschichtungsbehandlung, oder einer zusammengesetzten
Beschichtungsbehandlung, die aus wenigstens zwei
Oberflächenbehandlungen besteht, die aus der Gruppe ausgewählt
sind.
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Da die Seitenschiene nur an ihrer Außenumfangsoberfläche
mit einer Ionen-Nitrierschicht versehen ist, ist die
Abriebfestigkeit bezüglich des Gleitkontakts mit dem Zylinder
gut. Da die oberen und unteren Oberflächen Basisoberflächen
sind oder mit weichen Oberflächenbehandlungsschichten
ausgebildet sind, tritt praktisch kein abnormaler Abrieb
der Ölringnut des Kolbens auf. Wenn eine weiche
Oberflächenbehandlungsschicht ausgebildet wird, dann wird ein
gutes Antikorrosionsvermögen erzielt. Wenn die
Hartchromplattierung an der Innenumfangsoberfläche angewandt wird,
dann wird eine hervorragende Abriebfestigkeit bezüglich des
Gleitkontakts mit dem Abstands-Spreizelement erhalten.
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Durch die Auswahl der Ionen-Nitrierbehandlung, welche bei
der Nitrierbehandlung eine Richtwirkung der Behandlung
aufweist, werden die oberen und unteren Oberflächen und die
Innenoberfläche der Seitenschiene nicht nitriert, ohne daß
eine bestimmte Anti-Nitrierbehandlung oder eine
Entfernarbeit einer nitrierten Schicht erforderlich sind, und das
Nitrieren kann leicht an nur der Außenumfangsoberfläche
angewandt werden. Da das Nitrieren an nur der
Außenumfangsoberfläche angewandt werden kann, kann, in dem Falle, in
dem ein dickes Nitrieren an einem Ring angewandt wird, der
in seiner Breite dünn ist, das Erzeugnis mit einer nicht
beeinträchtigten Bruchfestigkeit erhalten werden, wodurch
ein Eingehen auf die Anforderungen nach einem dünneren Ring
und einer Abriebfestigkeit möglich wird.
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Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
nun anhand von Beispielen und mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 eine Längsschnittansicht ist, welche einen aus
Stahl hergestellten zusammengesetzten ölring
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der in
eine Ölringnut eines in einen Zylinder
eingesetzten Kolbens eingepaßt ist,
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Fig. 2 eine Draufsicht einer in Fig. 1 gezeigten
Seitenschiene ist,
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Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in
Fig. 2 ist,
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Fig. 4 eine vergrößerte Frontansicht eines Endabschnitts
der in Fig. 1 gezeigten Seitenschiene ist,
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Fig. 5 eine Draufsicht eines Materials für ein in Fig. 1
gezeigtes Abstands-Spreizelement ist,
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Fig. 6 eine perspektivische Ansicht ist, welche einen
Teil des in Fig. 1 gezeigten
Abstands-Spreizelements zeigt,
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Fig. 7 eine perspektivische Ansicht ist, welche einen
Zustand zeigt, in welchem ein Wicklungsmaterial
mit einer Lehre zusammengesetzt ist,
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Fig. 8 ein Graph ist, welcher die Tiefenverteilung der
Härte einer Ionen-Nitrierbehandlungsschicht gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt,
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Fig. 9 eine Schnittansicht einer weiteren Seitenschiene
entsprechend der Fig. 3 ist,
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Fig. 10 eine Schnittansicht einer weiteren Seitenschiene
entsprechend der Fig. 3 ist,
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Fig. 11 eine Schnittansicht einer weiteren Seitenschiene
entsprechend der Fig. 3 ist, und
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Fig. 12 eine Schnittansicht einer weiteren Seitenschiene
entsprechend der Fig. 3 ist.
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Ein Wicklungsmaterial ist aus einem martensitischen,
rostfreien Stahl vorbereitet worden, und das Wicklungsmaterial
ist auf eine Lehre (siehe Fig. 7) gesetzt worden. Das
Wicklungsmaterial ist um den Außenumfang eines
zylindrischen Elements der Lehre 22 gewickelt, so daß das
Wicklungsmaterial 21 in die geeignete Form gebracht ist.
Klemmscheiben 22a und 22b der Lehre 22 sind an entgegengesetzten
Enden des Wicklungsmaterials 21 angeordnet. Eine Mutter 24
ist in Schraubeingriff mit einem Gewindeabschnitt eines
Wellenabschnitts 23, welcher sich von einer Klemmscheibe
22b erstreckt und sich durch ein zentrales Loch der anderen
Klemmscheibe 22a erstreckt, und die Mutter 24 ist axial
angezogen und befestigt. Dann ist die Nitrierbehandlung an
der Außenumfangsoberfläche in einem Ionen-Nitrierofen
durchgeführt worden. Die Bedingungen der
Ionen-Nitrierbehandlungen waren beispielsweise wie folgt:
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Zusammensetzung der Umgebungsgase:
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Stickstoff:Wasserstoff = 7:3
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Arbeitstemperatur: 500ºC
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Eine Ionen-Nitrierbehandlungsschicht mit einer Tiefe von
60 µm und einer Härte von Hv 700 oder mehr ist erhalten
worden.
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Die Fig. 8 zeigt die Tiefenverteilung der Härte der Ionen-
Nitrierbehandlungsschicht. Da bei einer Nitrierbehandlung
eine Entladung nur an der Außenumfangsoberfläche eines
Werkstücks auftritt, wird die Außenumfangsoberfläche der
Seitenschiene nitriert, da jedoch die oberen und unteren
Oberflächen keinen Freiraum zwischen sich aufweisen, da sie
in Kontakt miteinander stehen, und die
Innenumfangsoberfläche in Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche der
Lehre ist, tritt in diesen Oberflächen keine Entladung auf.
Dementsprechend ist es möglich, eine Seitenschiene zu
erhalten, in welcher obere und untere Oberflächen und ein
Innenumfangsabschnitt frei von einer nitrierten Schicht
sind.
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Nach der Ionennitrierbehandlung ist das Wicklungsmaterial
von der Lehre 22 entfernt worden, und eine
Hartchrom-Plattierungsbehandlung ist nur an der Innenumfangsoberfläche
gemäß einem herkömmlichen Verfahren durchgeführt worden.
Die Hartchromplattierung ist als eine poröse Behandlung
angewandt worden, um durch die inverse
Elektrolysebehandlung eine Oberflächenrauhigkeit von 15-20 µm zu erhalten.
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Danach ist das Werkstück geschnitten worden, um eine
Seitenschiene mit einem Spalt zu bilden, und die oberen und
unteren Oberflächen sind mit weichen
Oberflächenbehandlungsschichten ausgebildet worden. Die weiche
Oberflächenbehandlung
ist eine Oberflächenbehandlung, welche
ausgewählt ist aus: einer Phosphat-Beschichtungsbehandlung,
Zinn-Plattierbehandlung, einer Weichbehandlung, Sulfid-
Beschichtungsbehandlung, einer Zinn-Plattierungsbehandlung,
Weichlegierungs-Plattierungsbehandlung, einer
Kupfer-Plattierungsbehandlung und einer
Harz-Fluorid-Beschichtungsbehandlung, oder einer zusammengesetzten
Beschichtungsbehandlung, welche aus wenigstens zwei
Oberflächenbehandlungen gebildet ist, die aus dieser Gruppe ausgewählt sind.
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Danach ist die Seitenschiene in einem herkömmlichen
Verfahren fertiggestellt worden.
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Die Fig. 1 zeigt einen zusammengesetzten Ölring, welcher
aus Stahl hergestellt ist und welcher in eine Ölringnut
eines in einen Zylinder eingesetzten Kolbens eingepaßt ist.
Der aus Stahl hergestellte zusammengesetzte Ölring 3,
welcher in eine Ölringnut 2 eines Kolbens 1 eingepaßt ist,
umfaßt ein Paar von oberen und unteren Stahlseitenschienen
4, 5 in Ringform mit einem Spalt sowie ein Stahl-Abstands-
Spreizelement 6, welches ringförmig ist und einen Spalt
aufweist.
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Das Abstands-Spreizelement 6 ist, wie in Fig. 5 gezeigt,
durch Vorsehen einer Mehrzahl von schildkrötenpanzerartigen
Löchern 26 gebildet, welche als Öllöcher dienen, in einer
Längsrichtung eines dünnen Stahistreifens 25, welcher im
wesentlichen V-förmige Schlitze 27 an beiden Seiten des
dünnen Stahlstreifens 25 zwischen den Löchern 26 aufweist,
durch Biegen von beiden Seiten in der Breitenrichtung
entlang einer Biegelinie A-A in einen im wesentlichen U-
förmigen Querschnitt, um Seitenschienen-Trageabschnitte
durch obere und untere Teile 8 und 9 zu bilden, die durch
einen aufrechten Teil 7 verbunden sind, wie in den Fig. 1
und 6 gezeigt, weiter durch Biegen von Endabschnitten
desselben schräg nach außen entlang der Biegelinie B-B, um
Seitenschienen-Preßabschnitte 10 zu bilden, durch Schneiden
desselben in eine vorbestimmte Länge und Formen desselben
derart, daß er ringförmig ist, so daß die Seitenschienen-
Preßabschnitte 10 an der Position der Innenumfangsseite
angeordnet sind. Das Abstands-Spreizelement 6 wird
zusammengedrückt und in die Ölringnut 2 eingepaßt, um eine nach
radial auswärts erweiternde Kraft zu erzeugen. Das Paar von
Seitenschienen 4 und 5 weist durch die oberen und unteren
Teile 8 und 9 axial einen Abstand zueinander auf, und die
äußeren Gleitoberflächen der Seitenschienen 4 und 5 werden
durch die Preßabschnitte 10 gleichförmig gepreßt und in
engem Kontakt mit der Innenwandung 12 des Zylinders
angeordnet, um Öl abzukratzen. Die Enden der
Innenumfangsseiten der Seitenschienen 4 und 5 werden durch die
Seitenschienen-Preßabschnitte 10 gepreßt und in engem Kontakt mit
den oberen und unteren Oberflächen 13 und 14 der Ölringnut
2 angeordnet, um die oberen und unteren Oberflächen 13 und
14 abzudichten.
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Wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt, sind die Seitenschienen
4 und 5 nur an der Außenumfangsoberfläche mit der Ionen-
Nitrierbehandlungsschicht 15 versehen, sind nur an der
Innenumfangsoberfläche mit der
Hartchrom-Plattierungsschicht 16 versehen und sind nur an den oberen und unteren
Oberflächen mit den weichen Oberflächenbehandlungsschichten
17 und 18 versehen. Es wird darauf hingewiesen, daß die
Fig. 2 und 3 typischerweise die obere Seitenschiene 4
zeigen, die untere Seitenschiene 5 ist jedoch in
entsprechender Weise dargestellt. Dementsprechend wird, da die
Seitenschienen 4 und 5 nur in der Außenumfangsoberfläche
mit der Ionen-Nitrierbehandlungsschicht 15 versehen sind,
die gute Abriebfestigkeit bezüglich des Gleitkontakts mit
der Innenwandung 12 des Zylinders 11 erhalten. Da die
Hartchrom-Plattierungsschicht 16 nur an der
Innenumfangsoberfläche vorgesehen ist, wird die hervorragende
Abriebfestigkeit bezüglich des Gleitkontakts mit den
Seitenschienen-Preßabschnitten 10 des Abstands-Spreizelements 6
erhalten. Die oberen und unteren Oberflächen weisen eine
hervorragende Antikorrosionseigenschaft auf, da die weichen
Oberflächenbehandlungsschichten 17 und 18 gebildet sind. Da
die Kontaktoberfläche bezüglich des Kolbens 1, welcher aus
einer Aluminiumlegierung besteht, weich ist, tritt
praktisch keine abnormale Abnutzung der Ölringnut 2 auf.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, sind Eckabschnitte zwischen einer
Stirnfläche 19 und jeder der unteren und oberen Oberflächen
einer Seitenschiene keine scharfen Ecken, sondern eine
Abschrägung über die gesamte Länge des Eckabschnitts wird
angewandt, um einen abgeschrägten Abschnitt 20 mit einem
Krümmungsradius von 0,03 mm - 0,3 mm zu bilden. Da der
sanft abgeschrägte Abschnitt 20 wie vorangehend beschrieben
gebildet wird, wird das Auftreten eines abnormalen Abriebs
in den oberen und unteren Oberflächen 13 und 14 der
Ölringnut 2 verringert.
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Da die Hartchrom-Plattierungsschicht 16 an der
Innenumfangsoberfläche der Seitenschienen 4 und 5 der porösen
Behandlung unterzogen worden ist, um eine
Oberflächenrauhigkeit von 5 bis 20 µm zu erhalten, ist es ferner möglich
zu verhindern, daß die Seitenschienen 4 und 5 unabhängig
voneinander gedreht werden.
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Obgleich bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform
die Ionen-Nitrierbehandlung und die
Hartchrom-Plattierungsbehandlung vor dem Schneideschritt des Wicklungsmaterials
angewandt worden sind, sollte zur Kenntnis genommen werden,
daß die Ionen-Nitrierbehandlung und die
Hartchrom-Plattierungsbehandlung angewandt werden können, nachdem das
Wicklungsmaterial geschnitten worden ist, um eine Seitenschiene
mit einem Spalt zu bilden.
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Die Fig. 9 zeigt eine weitere Seitenschiene gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher
eine Ionen-Nitrierbehandlungsschicht nur an der
Außenumfangsoberfläche ausgebildet ist, eine
Hartchrom-Plattierungsschicht 16 nur an der Innenumfangsoberfläche
ausgebildet ist und obere und untere Oberflächen Basisoberflächen
28 und 29 sind.
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Die Fig. 10 zeigt eine weitere Seitenschiene gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher
eine Ionen-Nitrierbehandlungsschicht 15 nur an der
Außenumfangsoberfläche ausgebildet ist und weiche
Oberflächenbehandlungsschichten 17, 18 und 30 an unteren und oberen
Oberflächen und an einer Innenumfangsoberfläche gebildet
sind.
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Die Fig. 11 zeigt eine weitere Seitenschiene gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher eine
Ionen-Nitrierbehandlungsschicht 15 nur an der
Außenumfangsoberflache gebildet ist, weiche
Oberflächenbehandlungsschichten 17 und 18 an oberen und unteren Oberflächen
ausgebildet sind und eine Innenumfangsoberfläche eine
Basisoberfläche 31 ist.
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Die Fig. 12 zeigt eine weitere Seitenschiene gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher eine
Ionen-Nitrierbehandlungsschicht 15 nur an der
Außenumfangsoberfläche gebildet ist und obere und untere Oberflächen
und eine Innenumfangsoberfläche Basisoberflächen 28, 29 und
31 sind.
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Es wird, darauf hingewiesen, daß die Fig. 9 und 12
typischerweise die obere Seitenschiene 4 zeigen, daß jedoch die
untere Seitenschiene 5 in entsprechender Weise gezeigt ist.
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Obgleich die durch die Erfinder gemachte Erfindung
detailliert in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben
worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die
vorangehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt,
sondern kann selbstverständlich in verschiedenen Weisen
innerhalb des Bereichs, wie er in den beiliegenden
Ansprüchen angegeben ist, geändert werden, ohne von diesem
Gegenstand abzuweichen.