DE7509408U - Piston ring - Google Patents

Piston ring

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281)34 β FRANKFURT AM MAIN /281) 34 β FRANKFURT AM MAIN /

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2870H OR. ESCHENHEIMER 8TRA86B 3·2870H OR. ESCHENHEIMER 8TRA86B 3

73 M 298 73 M 298

24.3.1975March 24, 1975

Koppers Company, Inc. Pittsburgh, Pennsylvania Vereinigte Staaten v.Amerika Koppers Company, Inc. Pittsburgh, Pennsylvania United States of America

KolbenringPiston ring

Die ErfindAing bezieht sich, allgemein gesagt, auf Kolbenringe für Brennkraftmaschinen und insbesondere auf einen Kolben ring, der eine mit Chrom plattierte Lauffläche besitzt· The invention relates, generally speaking, to piston rings for internal combustion engines and in particular to a piston ring which has a chrome-plated running surface .

Nach dem Stand der Technik sind mit Chrom plattierte Kolbenringe bekannt. Die Herstellung und die Verwendung von mit Chrom plattierten Kolbenringen haben jedoch Schwierigkeiten mit sich gebracht. Zum Beispiel gibt die brit.PS 526 an, dass wenn eine auf dem Ring niedergeschlagene Schicht von Chrom geschliffen wird, um den endgültigen Aussendurchmesser des Rings herzustellen,kleine und kleinste Stücke der Schicht abbrechen. In der brit.PS wird vorgeschlagen, diesen Mangel dadurch zu beheben, dass man im l&nfang des Rings Vertiefungen anbringt, und das Chrom in diese Vertiefungen niederschlägt. In der US-PS 2,380,654 sucht man das Problem zu lösen, und auch das Einlaufen des Rings dadurch zu Piston rings plated with chrome are known in the prior art. However, there have been difficulties in making and using chrome plated piston rings. For example, British PS 526 states that when a layer of chrome deposited on the ring is ground to produce the final outer diameter of the ring, small and very small pieces of the layer will break off. In the British PS it is proposed to remedy this deficiency by making indentations in the length of the ring and depositing the chromium in these indentations . In US-PS 2,380,654 one seeks to solve the problem, and thereby also to break in the ring

erleichtern, dass man das Chrom in eine konkave Oberfläche des Ring« niederschlägt und dabei die äusseren Stirnenden des Rings als scharfe Linien des Grundmetalls stehenlässt, um die Zylinderwand abzuschaben und öl in dem vertieften oder konkaven und mit Chrom plattierten Teil des Rings festzuhalten. Die US-Patentschrift 3 573 874 hat die Praxis dadurch weiterentwickelt, dass eine Vielzahl von mit axialem Abstand, sich in Umfangsrichtung erstreckenden und in Abstand voneinander befindlichen Stegen und Rinnen in der mit Chrom plattierten Oberfläche vorgesehen sind, um das Ol zu sammeln und festzuhalten.make it easier for the chrome to be deposited in a concave surface of the ring «and the outer ends of the Rings as sharp lines of the base metal to scrape off the cylinder wall and oil in the recessed or concave and to hold it in place with chrome plated part of the ring. U.S. Patent 3,573,874 has advanced the practice by that a plurality of axially spaced, circumferentially extending and spaced apart Ridges and ridges are provided in the chrome plated surface to collect and hold the oil.

Im allgemeinen sind mit Chrom plattierte Ringe erfolgreich in üblichen Dieselmotoren verwendet worden. Jedoch verursachen die Arbeitsbedingungen, die bei einigen neuzeitlichen hochtourigen und mit hoher Leistung arbeitenden Dieslmotoren vorliegen, Bruch der Kolbenringe, der selbst in der Garantiezeit des Motors auftreten kann. Bei einem dieser Motoren veranlassten die auf die Kompressions — Ringe ausgeübten Beanspruchungen ein so hohe«· Ausmass von Ermüdungsbrüchen in den Ringen, dass die Fortsetzung der Produktion des Motors in Frage gestellt war. Bevor die Produktion des Motors tatsächlich aufgegeben wurde, wurde ein Not-Versuchsprogranm in die Wege geleitet, das als "beschleunigter Versuch betreffend Ringbruch11 bezeichnet wurde und dazu diente, neue Ringkonstiuktionen zu sichten. Dieser beschleunigte Versuchsgang wurde dadurch bewerkstelligt, dass der Seitenspielraum zwischen dem oberen Rompressions-*^ing und der Kolbennut von nominal 0,101 mm auf 0,432 mm erhöht . wurde. Durch diese Änderung wurde die Faserepannung an dem Ring erhöht, indem man dem RiBg eine gras sere Biegung in der Hut, wie si« eich durch die hia-und hergehende Kolbenbewegung ergibt, erlaubte. Zusätzlich wurden grössere Änderungen in der Belastung wnd im Wärmekreislauf des Motors dadurch hervorgerufen, dass die Geschwindigkeit des Motors periodisch abwechselnd zwischen Le-er lauf drehzahl für einen Zeitraum von 10 Sekunden UBd nachfolgender Be^chleunigaag der Drehzahl auf ungefähr 25 £ über die Hem- Drehzahl geändert wurde und dieseIn general, chrome plated rings have been used successfully in common diesel engines. However, the working conditions that exist in some modern high-revving and high-powered diesel engines cause piston ring breakage, which can occur even during the warranty period of the engine. In one of these engines, the stresses exerted on the compression rings caused such a high degree of fatigue cracking in the rings that continued production of the engine was called into question. Before production of the engine was actually discontinued, an emergency test program called the "Accelerated Test of Ring Break 11 " was initiated to screen new ring constructions. This accelerated test was accomplished by eliminating the margin between the The upper compression and the piston groove were increased from nominally 0.101 mm to 0.432 mm. This change increased the fiber tension on the ring by giving the ring a more pronounced curve in the hat, as shown by the hia In addition, major changes in the load and in the heat circuit of the engine were caused by the speed of the engine periodically alternating between idle speed for a period of 10 seconds and subsequent acceleration of the speed about 25 pounds over the hem speed was changed and this

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Geschwindigkeit für einen Zeitraum von 20 Sekunden aufrechterhalten wurde. Solche Arbeitsperioden wurden während eines Zeitraumes von 100 Stunden wiederholt. Da die Chromplattierung des Grundrings möglich macht, den Grundring aus Werkstoffen verschiedener Art herzustellen, die hohe Festigkeit haben, weil das harte Chrom die Verschleissbelastung aufnimmt, wurde durch Untersuchung der Verwendung verschiedener Grundeisenmetalle für den Körper des Kolbenrings angestrebt, die Verschleissfestigkeit, den Korrosionswiderstand und den geringen Reibungskoeffizienten der Chrompiattierung beizubehalten. Eine grosse Zahl von Eisenmetallen, einschliesslich martensitischer duktiler Eisenarten, kaltformbare Eisenarten, rostfreier Stahl, schnellgehämmerte (shotpeened) Ringe, wurden geprüft; aber in allen Fällen kamen dia Ringe in Zeiträumen zu Bruch, die kleiner als die vorgesehenen 100 Stunden waren.Maintain speed for a period of 20 seconds became. Such periods of work were repeated over a period of 100 hours. Since the chrome plating of the Base ring makes it possible to produce the base ring from materials of various types that have high strength because the hard chromium absorbs the wear load was investigated by examining the use of various base ferrous metals for aimed at the body of the piston ring, the wear resistance, maintain the corrosion resistance and low coefficient of friction of the chrome plating. A large number of ferrous metals, including martensitic ductile iron species, cold formable irons, stainless steel, shotpeened rings were tested; but in all cases came dia rings break in periods smaller than those provided 100 hours were.

Es wurde gefunden, dass die Chromplattierung die Ermüdungsgrenzbeanspruchungen (endurance lim'?; - fatigue life) herabsetzt und dass durch die Erzeugung einer von Chrom freien Gruudmetallfläche an jeder Seite der Chromplattierung das Chrom aus dem Bereich der maximalen Belastung entfernt wird xaiL Ringe erzeugt werden, die stark erhöhte Ermüdungsgrenzbeanspruchungen besitzen, insbesondere dann, wenn das Verhältnis der Breite der der Belastung ausgesetzten Grundmetallfläche zur Breite der Chromplattierung zwischen 5 und 30 # der Ringbreite gehalten wird. Gemäss der Erfindung ist somit ein Kolbenring vorgesehen, der einen massiven, mit einem Spalt versehenen Körper aus Eisenmetall aufweist, welcher in seiner äusseren Umfangsflache eine Nut besitzt, deren Seitenflanken in radialer Richtung divergieren und die sich vollständig um den Umfang der Lauf fläche herum erstreckt; die Hut hat eine Länge, die mit der Länge des Umfang« der Umfangsflache übereinstimmt, hat aber eine Breite, die geringer als die Breite der Umfangsf lache ist, so dass die !Tut zwischen Plateaubereichen ^ β β" äss Grundmetalls liegt. Pie Nut ist mit elektrolytisch niedergeschlagenem Chrom gefüllt.It has been found that the chrome plating reduces the endurance limit stresses (endurance lim '?; - fatigue life) and that by creating a chrome-free base metal surface on each side of the chrome plating, the chrome is removed from the area of maximum stress xaiL rings are created, which have greatly increased fatigue limit stresses, especially when the ratio of the width of the exposed base metal surface to the width of the chrome plating is kept between 5 and 30 # of the ring width. According to the invention, a piston ring is thus provided which has a solid, provided with a gap body made of ferrous metal, which has a groove in its outer circumferential surface, whose side flanks diverge in the radial direction and which extends completely around the circumference of the running surface around; The hat has a length which corresponds to the length of the circumference of the circumferential surface, but has a width which is less than the width of the circumferential surface, so that the hat lies between plateau areas ^ β β "of the base metal. Pie groove is filled with electrolytically precipitated chromium.

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigen:Embodiments of the invention are described below, for example with reference to the drawings, namely show:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines gem. der Erfindung hergestellten Rings;1 is a perspective view of a ring made according to the invention;

Fig. 2 in grösserem Masstab einen Querschnitt nach der Linie II-II des Rings nach Fig.1;Fig. 2 shows on a larger scale a cross section along the line II-II of the ring according to Figure 1;

Fig.3 in grösserem Maßstab einen Querschnitt ainer Ausführungsform,bei *er die Umfangsflache abg,2:schrägt ist (und zwar im Bereich von 1/2 bis 4°);3 shows, on a larger scale, a cross-section of an embodiment in which the circumferential surface is ab, 2: is inclined (in the range from 1/2 to 4 °);

Fig. 4 in grösserem Maßstab einen Querschnitt einer Ausführungsform, die als Keilstein-Trapez-Ring (Keystone Ring) bezeichnet wird;4 shows, on a larger scale, a cross-section of an embodiment, referred to as the Keystone Ring;

Fig. 5 in grösserem Maßstab einen Querschnitt einer Ausführungsform, bei der eine ballige Umfangsflache vorgesehen ist;5 shows, on a larger scale, a cross-section of an embodiment, in which a spherical peripheral surface is provided;

Fig. 6 in grösserem Maßstab einen Querschnitt einer Ausführungsform mit einer balligen Umfangsfläche und einem abgefasten Plateau-Bereich, und6 shows, on a larger scale, a cross-section of an embodiment with a spherical peripheral surface and a chamfered Plateau area, and

Fig. 7 ein Diagramm, in dem die Biegungen des Rings in Abhängigkeit von der Zahl der Lastwechsel (cycles) dargestellt sind» Fig. 7 is a diagram in which the bends of the ring are shown as a function of the number of load changes (cycles) »

Gemäss den Zeichnungen ist der erfindungsgemässe Kolbenring aus einem üblichen Metallkolbenring-Rohling 10 hergestellt, der ein mit Spalt versehenes winkliges Ringglied ist. Für diesen Rohling kann Jedes übliche Kolbenringmaterial verwendet werden, zum Beispiel Gusseisen, Stahlsorten und rostfreie Stähle} wie Fig. 2 zeigt, ist eine winkelige Nut λ2 am umfang oder an der ätisseren Umfangsfläche oder Lauffläche des Kolbenring-Rohlings 10 durch spanabhebende BearbeitungAccording to the drawings, the piston ring according to the invention is produced from a conventional metal piston ring blank 10, which is an angular ring member provided with a gap. Any conventional piston ring material can be used for this blank, for example cast iron, steel grades and stainless steels} As FIG. 2 shows, there is an angled groove λ2 on the circumference or on the outer circumferential surface or running surface of the piston ring blank 10 by machining

hergestellt.manufactured.

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Die Nut ist ziemlich flach und besitzt einen flachen Boden oder Nu-„grund 13. Die Seitenflanken der Nut sind nach aussen in einem Winkel A von 35 bis 80° geneigt, vorzugsweise um etwa 55°. Die Dicke W des Grundmetalls, die im Bereich der Umfangsfläche " nach Einbringen der Nut verbleibt, beträgt 5 bis 30 # der Dicke B des Rings, vorzugsweise ungefähr 27 $.The groove is fairly flat and has a flat bottom or groove 13. The side flanks of the groove are outwardly in inclined at an angle A of 35 to 80 °, preferably by about 55 °. The thickness W of the base metal, which in the area of the circumferential surface " remains after the groove has been made, is 5 to 30 # of the thickness B of the ring, preferably about 27 $.

Bei der Herstellung des Rings wird dieserWhen the ring is made, it will be

auf seinen genauen Aussendurchmesser und das gewünschte Profil gebracht, wonach die Nut 12 in dem Ring hergestellt wird. Nuttiefen von 0,228 bis 0,748 mm (0,009 bis 0,0295 Inches) erlauben eine stufenweise Endbearbeitung nach dem Plattieren, derart, dass man eine Fertigplattierung von 0,0508 bis 0,508 mm (0,002 bis 0,020 Inches) erhält. Eine Reihe dieser Singe werd&ji konzentrisch miteinander zusammen auf eine Plattierspindel aufgebracht und werden so geschlossen, dass lediglicn ihre Lauf flächen dem Plattierbad ausgesetzt sind. Die Chromfüllung 17 wird dam elektrolytisch niedergeschlagen, bis der Hiederschlag einige Tausendstel Inch (einige Hundertstel mm) grosser ist als die Tiefe der Nut. Das Plattieren kann in üblicher Weise vor sich gehen. Ein Beispiel einer typischen Zusammensetzung des Plattierbades sei durch die folgenden Zahlen gegeben: Chromsäure - 90 g/l bis 560 g/l (12 bis 75 οζ per gal.), Sulfat - 75 g bis 450 g/l (10 bis 60 oz per gal.); die Arbeitsparameter sind: Badtemperatur - 32,5 bis 600C (90 bis 14O0P) und Stromdichte - 0,465 bis 0,775 A/cm2 (3*0 bis 5t0 asi.). Das Plattieren bzw. Niederschlagen des Chroms wird über eine Zeitspanne fortgesetzt, die ausreicht, die gewünschte Dicke der Schicht zu erhalten. Die Plattierspindel wird dann aus dem Bad entfernt, und der Ring wird derart geschliffen, dass das Srundmetall als ein Plateauberefcn§zw. eine Auf jeder Seite der niedergeschlagenen Chromschicht 17 freigelegt wird. Das Schleifen beseitigt die Oberfläcaenrauhigkeit und Chromknötehen, so dass die Oberfläche glatt wird und die Ermüdungsgrenzbeanspruchung oder Dauerfestigkeit erhöht wird. Das Schleifen befreit das Chrom von Zugspannungen (Chrom hat geringe Zugfestigkeit), und zwar ge- brought to its exact outer diameter and the desired profile, after which the groove 12 is made in the ring. Groove depths of 0.228 to 0.748 mm (0.009 to 0.0295 inches) allow gradual finishing after plating such that a finish of 0.0508 to 0.508 mm (0.002 to 0.020 inches) is obtained. A number of these pieces are placed concentrically with one another on a plating spindle and are closed in such a way that only their running surfaces are exposed to the plating bath. The chromium filling 17 is then electrolytically deposited until the precipitation is a few thousandths of an inch (a few hundredths of a mm) greater than the depth of the groove. The plating can be done in the usual way . An example of a typical composition of the plating bath is given by the following numbers: chromic acid - 90 g / l to 560 g / l (12 to 75 οζ per gal.), Sulphate - 75 g to 450 g / l (10 to 60 oz per gal.) gal.); The operating parameters include a bath temperature of - 32.5 to 60 0 C (90 to 14O 0 P) and current density - 0.465 to 0.775 A / cm 2 (3 * 0 to 5 t 0 asi.). The plating of the chrome is continued for a period of time sufficient to obtain the desired thickness of the layer. The Plattierspindel is then removed from the bath, and the ring is ground such that the Srundmetall auberefcn§zw as a Plat e. one on each side of the deposited chromium layer 17 is exposed. Grinding removes surface roughness and chrome nodules so that the surface becomes smooth and the fatigue limit or fatigue strength is increased. Grinding frees the chrome from tensile stresses (chrome has low tensile strength), namely

7509408 27.01777509408 27.0177

·>···■* ti "n1 ·> ··· ■ * ti "n 1

- 6- - 6-

schient dies dadurch, dass das Chrom von cten hochbeanspruchten'this appears due to the fact that the chrome of cten highly stressed '

"* Vi* "* Vi *

Teilen 15 des Rings entfernt wird.-. f Part 15 of the ring is removed. f

Die gemäss der Erfindung hergestellten Ringe zeigen im, Betrieb überraschende Eigenschaften. Bei dem ersten Versuch mit einem Motor, lief der in FiJ. Ϊ dargestellte Ring 400 Stunden ohne zu versagen. Bei einem Wiederholungsversuch, bei dem neue Ringe verwendet wurden, liefen diese 2.00 Stunden einwandfrei. Bei Abrieb-Verschliesstfersüchen am^Totor (bei solcfc^n Versuchen wird feiner Staub fortlaufend durch das. Ansaugrohr in die Zylinder eingeführt) lief der Motor mehr als 200 Stunden, ohne dass Bruch der Ringe auftrat, und der Bruch trat erst nach Abrieb von 25 # der radialen Wandstärke auf· Manche Motoren haben im tatsächlichen Betrieb mehr als 160*000 km erreicht, ohne dass die Ringe brachen.The rings produced according to the invention show in operation surprising properties. On the first try with one Engine that ran in FiJ. Ϊ shown ring 400 hours without to fail. On a retry attempt using new rings, these 2 hours ran without any problems. In the case of wear-and-tear on the totor (in such tests If fine dust is continuously introduced into the cylinder through the intake pipe) the engine ran for more than 200 hours without that rupture of the rings occurred, and the rupture did not occur until after abrasion of 25 # the radial wall thickness · Some engines have reached more than 160 * 000 km in actual operation without the rings breaking.

Ein Standard-Kompressionsring bzw· Kolbenring (Fig. 1 und 2) hat einfachen rechteckigen Querschnitt und wird in allen Fällen verwendet, in denen dfe Arbeitsbedingungen keine SpezialausfUhrung der Ringe erforderlich machen.A standard compression ring or piston ring (FIGS. 1 and 2) has a simple rectangular cross-section and is used in all cases used in which dfe working conditions do not require a special design of the rings.

Ein abgeschrägter Ring gemäss Fig. 3 besitzt an seiner äusseren Umfangsfläehe eine Abschrägung von 1/2 bis 4°, die von der Gr£ssed38 Rings abhängt· Die Abschrägung hat den Vorteil, dass der Ring sich schneller einläuft äLs irgendein anderei normaler Kolbenring. Dieser Vorteil macht den abgesc hrägten Ring vor allem zur Verwendung bei gehärteten Zylindern brauchbar· Bei Zylindern, die unrund oder verzogen sind, verhindert die Fähigkeit des abgeschrägten Rings, sich schnell einzulaufen, dass ein Durchblasen eintritt.A beveled ring according to FIG. 3 has a bevel of 1/2 to 4 ° on its outer circumferential surface, which depends on the size of the ring. The bevel has the advantage that the ring runs in faster than any other normal piston ring. This advantage makes the beveled ring particularly useful for use with hardened cylinders. With cylinders that are out of round or warped, the ability of the beveled ring to break in quickly prevents blow-through from occurring.

Der Trapez-Ring nach Pig. 4 ist dem gt ähnlichen Kolbenringe ähnlich p mit dem Unterschied, dass seine Stirnseiten _ . nach innen hin abgeschrägt bzw. abgefaßt sind. Die Nut im Kolben, in die dieser Ring eingesetzt wird, muss in gleicherThe trapezoidal ring according to Pig. 4 is similar to the piston rings similar to gt p with the difference that its end faces _. are bevelled or drafted towards the inside. The groove in the piston into which this ring is inserted must be the same

leise abgefaste Seitenflächen haben,have quietly bevelled side surfaces,

Ill 111!Ill 111!

I I > IIII I > III

deren Abschrägungswinkel der gleiche ist wie derjenige, der an dem Ring verwendet ist. Diese Bauweise erlaubt,den Kolben so auszubilden, dass die Stege zwischen den Nuten de:s Kolben Verstärkt sind. Während des Arbeitens des Motors bricht die whose bevel angle is the same as that of the ring is used. This construction allows the piston to be designed in such a way that the webs between the grooves of the piston are reinforced. While the engine is working, the

. " en relative Bewegung zwischen Ring und Kolben die Bildung/von Kohlenstoff auf, so dass der Trapez-Ring dazu tendiert, ein Verkleben des Kolbenringes zu Verhindern. '. " En relative movement between the ring and piston causes the formation / of carbon, so that the trapezoidal ring tends to prevent the piston ring from sticking together."

Der Ring nach Pig. 5 besitzt eine ballige Umfangsflache.Pig's ring. 5 has a spherical circumferential surface.

Der Ring nach Pig. 6 besitzt eine ballige Umfangsfläche und einen abgefasten Kantenbereich.Pig's ring. 6 has a spherical peripheral surface and a chamfered edge area.

Vorstehend ist ein Kolbenring beschrieben, der die guten Versehleisseigenschaften eines mit Chrom plattierten Ringes besitzt. Versuche mit üblichen Ringen mit einer verchromten umfangsfläche, bei denen Bru>h auftrat, zeigen, dass der Bruch sich durch Ermüdung ergibt, die an der oberen oder unteren, Aussenkante ; des Rings eintritt; diese Kanten sind offenbar die Stellen grösster Spacnungskonzentration. Bei üblichen Ringen ist dieser 'Bereich mit einem Chromüberzug versehen. Die Chromplattierung eines üblichen Rings setzt die Ermüdungsgrenzbeanspruchung des Kolbenrings herab(diese Grenzbeanspruchung ist die höchste Spannung, die das Metall aufnehmen kann, ohne dass ein Ermüdungsbruch eintritt)· Dadurch, dass gemäss der Erfindung die Chromplattierung an einem Teil der Lauffläche des Rings beibehalten wird,aber äussere Ringschultern aus dem GrundmetallA piston ring is described above which has the good wear properties of a ring plated with chrome. Tests with conventional rings with a chrome-plated circumferential surface, in which Bru> h occurred, show that the break results from fatigue on the upper or lower outer edge ; the ring enters; these edges are evidently the places of greatest concentration of space. In the case of conventional rings, this area is provided with a chrome coating. The chrome plating of a conventional ring reduces the fatigue limit stress on the piston ring (this limit stress is the highest stress that the metal can absorb without fatigue failure occurring) By maintaining the chrome plating on part of the running surface of the ring according to the invention, but outer ring shoulders made of the base metal

bestehen, ' , ist es möglich, dem Ring eine höhere Belastung aufzuerlegen, ohne dass Ermüdungsrisse entstehen. Versuchsresultate zeigen beim Vergleich eines üblichen, mit Chromüberzug versehenen Rings mit einem Ring, der gemäss der Erfindung hergestellt ist, dass, wenn beide Ringe die gleiche Grosse haben, der erfindungsgemässe Ring eine 27 $> höhere Ermüdungsgrenzbeanspruchung als der übliche Ring besitzt, wie es in Pig. 7 gezeigt ist»exist, 'it is possible to place a higher load on the ring without causing fatigue cracks. When comparing a conventional, chrome-plated ring with a ring made according to the invention, test results show that if both rings are of the same size, the ring according to the invention has a fatigue limit stress that is 27 $> higher than the conventional ring, as shown in FIG Pig. 7 is shown »

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Elektrolytisch niedergeschlagenes Chrom besitzt starke verbleibende Restspannungen. Gemäss der Erfindung hat sich gezeigt, dass diese hohen Restspannungen Ermüdungssprünge oder -brüche verursachen, die einen vorzeitigen Bruch der üblichen, mit Chrom plattierten Kolbenringe verursachen, bei denen die gesamte Umfangsfläche elektrolytisch mit Chrom überzogen ist. Gemäss der Erfindung erhöht sich durch das Weglassen der Chromplattierung in dem Bereich der grössten Spannung die Lebensdauer desElectrolytically precipitated chromium has strong residuals Residual stresses. According to the invention, it has been shown that these high residual stresses cause fatigue cracks or fractures causing premature breakage of the usual chrome plated piston rings, which include the entire Peripheral surface is electrolytically coated with chrome. According to of the invention is enhanced by the omission of the chrome plating the service life of the

\ Rings, ohne dass die Verschleisseigenschaften des Ringes herab- \ Rings without reducing the wear properties of the ring

gesetzt werden.be set.

! Es hat sich als erwünscht herausgestellt, vor der Durchführung! It has been found desirable prior to implementation

! von Versuchen in einem Dieselmotor, die verschiedenen Kolbenring-! of experiments in a diesel engine, the various piston ring

ausführungsarten durch einen Ermüdungsversuch auszuwerten, um dieEvaluate execution types by means of a fatigue test in order to achieve the

\ Ermüdungsgrenzbeanspruchung festzustellen. Die Ermüdungsgrenzbe- \ Determine fatigue limit stress. The fatigue limit

\ anspruchung ist definiert als die maximale Spannung, der ein \ stress is defined as the maximum stress that a

\ Werkstoff unendlich oft unterzogen werden kann, ohne dass Bruch \ Material can be subjected to an infinite number of times without breaking

\ verursacht wird. Es wurde festgestellt, dass eine gute Wechsei- \ is caused. It was found that good interchangeability

■ beziehung zwischen der Ermüdungsgrenzbeanspruchung und der Arbeitsweise des Kolbenrings im Motor besteht. Die Ermüdungsgrenzbeanspruchungs-Werte erhält man durch Auftragen der Spannung in j Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel (cycles) in Form■ relationship between the fatigue limit stress and the working method of the piston ring in the engine. The fatigue limit stress values is obtained by plotting the voltage as a function of the number of load changes (cycles) in the form

j von Kurven, die gewöhnlich als S-N-Kurven bezeichnet werden.j of curves commonly referred to as S-N curves.

Es ist grundsätzlich bekannt, dass ein im elastischen Bereich beanspruchtes Metall seine ursprünglichen Abmessungen wieder einnimmt, nachdem die Belastung entfernt ist, vorausgesetzt, dass genügend Zeit vergeht. D5.es ist jedoch nicht der Pail, wenn das Metall im elastischem Bereich mit grosser Wiederholungsgeschwindigkeit belastet wird. Abhängig von der aufgebrachten Belastung bricht das Metall dann schliesslich durch Ermüdung " in einem gewissen Zeitintervall.It is known in principle that a metal stressed in the elastic range assumes its original dimensions again after the stress has been removed, provided that sufficient time has passed. D5, however, it is not the pail if the metal is stressed in the elastic range with high repetition speed. Depending on the load applied, the metal finally breaks " due to fatigue" within a certain time interval.

L Vor dem Prüfen eines Kolbenrings in einer ErmüdungsprüfmaschineL Before testing a piston ring on a fatigue testing machine

oder Dauerprüfmaschine wird ein Versuch zur Peststellungor endurance testing machine becomes an attempt to plague

7509408 27.01777509408 27.0177

Belastung in Abhängigkeit von der Abbiegung oder Biegung an jedem Ring dadurch durchgeführt, dass man auf die Zusammendrükkung aufnehmende Fläche des Rings eine zusammendrückende Belastung aufbringt und das Ausmass der Abbiegung misst. Für jedes Differential der Abbiegung wird die Belastung (F~) aufgezeichnet und die Belastungskurve in Abhängigkeit von der Abbiegung erstellt. Die Spannung in kp/cm wird dann entweder gemessen oder für verschiedene Abbiegungen gemäss der nächst eher, ien Formel berechnet:Loading as a function of the bend or bend on each ring is carried out by looking at the compression The receiving surface of the ring applies a compressive load and measures the amount of deflection. For each Differential of the bend, the load (F ~) is recorded and the load curve is drawn up as a function of the bend. The tension in kp / cm is then either measured or for different bends according to the next formula calculated:

6FD (D-d) (2a + b)6F D (Dd) (2a + b)

S = S =

d2 (a2 + 4?-b + b2)d 2 (a 2 + 4? -b + b 2 )

wobei:whereby:

S = Spannung, kp/cm
F-Q= Belastung, kp
S = tension, kp / cm
FQ = load, kp

d = Ringwandung, cm
b = Ringdicke, cm
a = b-2d tg O^
d = ring wall, cm
b = ring thickness, cm
a = b-2d tg O ^

Ot= Keilstein- bzw. Trapezwinkel des Kolbenringquer Schnitts.Ot = wedge or trapezoidal angle of the piston ring cross section.

Hierauf wird der Ring in die Ermüdungs- oder Dauerprüfmaschine eingebaut, in der ein Ende des Spaltes ortsfest und das andere Ende so abgebogen bzw. so gebogen angebracht ist, dass in den äussersten Fasern des Rings eine hohe Spannung entsteht. Beginnt man die Versuche mit einem hohen Spannungsniveau, so tritt sin Ermüdungsbruch nach einer geringen Anzahl von Lastwechseln ein. Die Versuchsergebnisse werden für jedes Spannungsniveau aufgezeichnet, und hierauf wird das Spannungsniveau gesenkt und der Vorgang wiederholt. Wenn der Ring über 10 Millionen LastwechseJ. gebogen wurde, ohne zu brechen, so wird eine waagrechte Linie in das Diagramm eingezeichnet, das die Abbiegung in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel (oder die Spannung in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel) zeigt. Die waagrechte LinieThe ring is then put into the fatigue or endurance test machine installed, in which one end of the gap is fixed and the other end is bent or bent so that in the the outer fibers of the ring create a high tension. If the tests are started with a high voltage level, sin occurs Fatigue failure after a small number of load changes. The test results are recorded for each stress level, and then the tension level is lowered and the process is repeated. If the ring has over 10 million load changes. was bent without breaking, a horizontal line is drawn in the diagram that shows the bend as a function of on the number of load changes (or the voltage as a function of the number of load changes). The horizontal line

7509408 27.01777509408 27.0177

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stellt die Ermüdungsgrenzbeanspruchung des Materials dar. Eine weitere Linie wird durch die Funkte gezogen, bei denen oei je einem geprüften Spannungsniveau Bruch bei dem Minimum von Lastwechseln eintrat. Die abfallende Linie bezeichnet die Ermüdungsgrenzbeanspruchungswerte des Materials bei geringer Lastwechselanzahl· Auf diese Weise wurde das Diagramm nach Pig·7 entwickelt· Die mit A bezeichnete Linie zeigt die Abbiegung in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel oder das Ermüdungsprogramm für einen üblichen Keilstein- oder Tr"apez-. Ring, der über seine gesamte aus sere TJmfangsf lache mit Chrom plattiert ist. Die s ist Standard-Ausführung► Die mit B bezeichnete Linie zeigt die Ergebnisse für einen Ring, der gemäss der Ausführungsform nach Pig. 3 ausgebildet ist. represents the fatigue limit stress of the material. Another line is drawn through the points at which each of the tested stress levels fracture occurred at the minimum of load changes. The falling line denotes the fatigue limit stress values of the material with a low number of load changes · This is how the diagram according to Pig · 7 was developed Apez ring, which is plated with chrome over its entire circumferential surface The s is the standard version ► The line labeled B shows the results for a ring which is designed according to the embodiment according to Pig.

Die vergleichenden Ermtidungsversuche zeigen, dass der gemäss der Erfindung hergestellte, mit Chrom plattierte Ring bedeutend bessere Werte ergibt als eine Ausführung des Rings, bei der sich die Chromplattierung über die gesamte aussere Umfangsflache des Rings erstreckt. Versuche mit Motoren bestätigten nicht nur die verbesserten Ermüdungsversuchsergebnisse, sondern zeigten auch, dass die überlegenen Verschleisseigenschaften der Chromplattierung nicht dadurch beeinträchtigt wurden, dass dae Chrom gemäss der Erfindung in einer Nut angebracht wurde.The Ermtidungsversuche comparative show that the produced according to the invention, significantly better with chrome-plated ring values gives as an embodiment of the ring, the chromium plating extends in the entire outer circumferential surface of the ring. Tests with engines not only confirmed the improved fatigue test results, but also showed that the superior wear properties of the chrome plating were not impaired by the fact that the chrome was placed in a groove according to the invention.

Claims (1)

Da/Kt G 75 09 408.5Da / Kt G 75 09 408.5 26.4,1976 Koppers Company, Inc.April 26, 1976 Koppers Company, Inc. 73 M 29873 M 298 SchutzansprUcbe:Protection requirements: 1. Kolbenring mit einem massiven Körper aus Elsenmetall, der einen Spalt und in der Umfangsflache eine mit Chrom gefüllte Nut aufweist,1. Piston ring with a solid body made of ferrous metal, one gap and one with chrome in the circumferential surface has filled groove, dadurch gekennzeichnet, daS die mit einem flachen Nutgrund (13) versehene Nut (12) Seitenflanken (14) besitzt, die nach außen um einen Winkel (A) von 35 - 80° geneigt sind, daß die Nut eine der länge des !Anfangs der Umfangsf lache entsprechende länge besitzt, aber· eine Breite, die kleiner als die Breite der Umfangsflache ist, wobei die Nut zwischen Flateaus (15) des Eisenmetallkörpers liegt, deret: Breite (W) 5 - 30 % der Breite (B) der Umfängsfl&cbr* beträgt, und daß die Nut mit elektrolytisch niedergeschlagenem Chrom (17) gefüllt ist.characterized in that the groove (12) provided with a flat groove base (13) has side flanks (14) which are inclined outwards by an angle (A) of 35-80 °, that the groove is one of the length of the! start of the The circumferential surface has a corresponding length, but a width that is smaller than the width of the circumferential surface, with the groove between the flateaus (15) of the ferrous metal body, which is: Width (W) 5 - 30 % of the width (B) of the circumferential surface * is, and that the groove is filled with electrolytically deposited chromium (17). 2. Kolbenring nach Anspruch 1,2. piston ring according to claim 1, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß der Neigungswinkel (A) der Seitenflanken (14) derthat the angle of inclination (A) of the side flanks (14) of the Nut (12) etwa 55° beträgt.Groove (12) is about 55 °. 3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2,3. Piston ring according to claim 1 or 2, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Breite (W) der Plateaus etwa 27 % der Breite (B)that the width (W) of the plateaus is about 27 % of the width (B) des Ringes beträgt.of the ring. 4· Kolbenring nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der Chromfüllung (17) konvex ist (Fig. 5 u.6).4 piston ring according to one of claims 1-3, characterized in that the outer surface of the chrome filling (17) is convex (Figs. 5 and 6). - Anspruch 5 -- Claim 5 - 7509488 27.01777509488 27.0177 5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 -· 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche 1/2 - 4° abgeschrägt ist (Fig.3)5. Piston ring according to one of claims 1-3, characterized in that the circumferential surface is beveled 1/2 - 4 ° (Fig. 3) 6. Kolbenring nach Anspruch 4,6. piston ring according to claim 4, d&durch gekennzeichnet, daß die Außenteile des Ringes abgefast sind (Fig.4-6).d & characterized in that the outer parts of the ring are chamfered (Fig.4-6). 7. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; daß die Stirnseiten des» Ringes (10) nach innen abgeschrägt sind (Fig.4).7. Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that; that the end faces of the »ring (10) are bevelled inwards (Fig.4). sentafiwalt:sentafiwalt: -7—η -7- η Dannenberg & Dannenberg & 7509408 27.01.777509408 01/27/77
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3045772A1 (en) * 1979-12-04 1981-09-24 Nippon Piston Ring Co., Ltd., Tokyo SEALING RINGS

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3045772A1 (en) * 1979-12-04 1981-09-24 Nippon Piston Ring Co., Ltd., Tokyo SEALING RINGS

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