DEP0007488DA - Kolben- und Dichtungsringe, insbesondere für Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

Kolbenringe für vorzugsweise Brennkraftmaschinen müssen bekanntlich eine Anzahl Bedingungen erfüllen. So sollen die zur Dichtung dienenden Ringe z. B. möglichst straff an der Wand des Zylinders angepresst laufen, damit keine Gasverluste entstehen. Zugleich aber muß dafür gesorgt werden, daß die Reibung zwischen der Ringaußenfläche einerseits und der Zylinderinnenwand andererseits möglichst gering ist, um einen ausreichend hohen Wirkungsgrad der Maschine zu gewährleisten. Ferner dürfen die Kolbenringe bei hohen thermischen Beanspruchungen nicht fressen. Schliesslich wird noch von den Ringen eine möglichst große Lebensdauer gefordert. Die Ringe dürfen weder im Betrieb noch wenn sie auf die Kolben aufgezogen und wieder abgebaut werden, ihre Spannkraft verlieren.

Die Erfindung, die sich auf derartige Kolben- und Dichtungsringe bezieht, bezweckt, letztere so auszubilden, daß sie die vorgenannten Bedingungen erfüllen. Die vielfach benutzten Ringe aus Gußeisen erfüllen alle diese Anforderungen nicht in vollem Maße. So sind z. B. die Reibungsverluste zu groß, weil das Gefüge des Gußeisens nicht gleichzeitig dicht herstellbar und zu sprüde ist. Außerdem wird die zu geringe Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens bei hoch beanspruchten Motoren als recht nachteilig empfunden, so daß sich eine unerwünschte Drosselung der Ableitung der Wärme über die Kolbenringe zeigt. Auch ist die Dehnung der Kolbenringe noch zu klein. Sie zerbrechen mitunter beim Aufziehen oder Abnehmen von dem Kolben. Es wurde versucht, der nicht ausreichenden Federung durch Verwendung eines zusätzlichen Federstahlringes in der Ringnut, der sich innen an den Gusseisenring anlehnt, zu begegnen. Der Einbau derartiger Ringe erfordert jedoch unerwünscht viel Zeit und setzt eine geschickte Handfertigkeit voraus.

Es ist ferner bekannt, statt des Gusseisens auch Flusseisen zur Anfertigung von Kolben- bezw. Dichtungsringen zu benutzen. Aber auch diese Ringe befriedigen nicht.

Bessere Ergebnisse konnten erzielt werden bei der Anwendung von aus Walzmaterial hergestellten Eisenringen, die in einer Nut desselben einen zweiten Ring enthielten, der aus einem Werkstoff mit einem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten bestand, wodurch ein erhöhter Anpressungsdruck erzeugt werden konnte. Diese Einlageringe bestanden aus Messing, Bronze, Zink, Graphit oder anderen derartigen Stoffen. Sie wurden in den äusseren Ring eingewalzt oder eingezogen und machten nur einen Teil der Lauffläche des Ringes an der Zylinderwand aus.

Es sind ferner auch Kolbenringe bekannt geworden, bei denen eine derartige Einlage aus der Lauffläche des Ringes vorsteht, sodass die letztere allein mit dem Werkstoff der Zylinderwand in Berührung kommt. Derartige Ringe trugen jedoch nur zum Teil und wiesen vielfach eine zu schmale Gleit- und Dichtungsfläche auf. Die Herstelllung solcher Kolbenringe hat ferner eine Grenze. Kolbenringe, deren Breite etwa 3 mm und darunter beträgt, können keine eingewälzte Ein- lage mehr aufnehmen, weil die praktische Herstellung nicht durchführbar ist. Ausserdem fehlt einer derartigen Doppelring-Ausführung der innige Zusammenhang, der mit Rücksicht auf den Einfluss der hohen Temperatur unbedingt gewährleistet sein muss.

Um ferner den Verschleiss gusseiserner Ringe herabzusetzen, wurden sie auf ihrer Lauffläche verzinnt, verbleit, verchromt oder auch phosphatiert.

Es sind ferner auch Kolbenringe aus Gusseisen bekannt geworden, die einen filmartigen Ueberzug aus Kupferlegierungen an ihrer Lauffläche aufweisen. Hierdurch sollte das Einlaufenlassen der Kolben wesentlich erleichtert werden. Da die Nichteisenmetallauflage jedoch nur sehr dünn bemessen wird, schleift sie sich sehr schnell ab, sodass bald nach dem Einlaufenlassen nur noch der Gusseisenring vorhanden ist. Derselbe Vorschlag wurde auch schon für Stahlringe gemacht. Als Ueberzug wurden Gusseisen, Bronze und dergl. Metalle erwähnt.

Um sowohl die werkstattmässigen Schwierigkeiten zu überwinden als auch dafür zu sorgen, dass die Kolben- bezw. Dichtungsringe die vielseitigen, mitunter einander widersprechenden Bedingungen erfüllen, wird dem Kolbenring erfindungsgemäss eine Lauffläche gegeben, die auch dann noch ausreichende Gleit- und Notlaufeigenschaften gewährleistet, wenn bei hohen elastischen Spannungen und somit starkem Anpressungsdruck an der Zylinderwand ein sattes Anliegen der Kolbenringe während der gesamten Betriebszeit herbeigeführt ist.

Erreicht ist dies dadurch, dass die Kolbenringe aus mindestens zwei hinsichtlich ihrer Federeigenschaften und bezüglich ihrer Gleiteigenschaften verschiedenen metallischen Werkstoffen bestehen, die miteinander fest und innig verbunden und koaxial zueinander so angeordnet sind, dass sie sich auf der ganzen Höhe der tragenden Ringfläche überdecken. Als Grundwerkstoff wird in an sich bekannter Weise ein Metall mit guten Federeigenschaften wie vorzugsweise Stahl bezw. Stahllegierungen mit Mangan, Silizium und gegebenfalls Chrom und mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15 bis 0,5 % gewählt, während des Metall der Laufschicht sich durch anerkannt gute Einlauf-, Gleit- und Notlaufeigenschaften, hohe Warmfestigkeit, gute Plattierbarkeit und ausreichende Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Beide Metalle sind auf dem Plattierwege, tunlichst durch Schweissplattieren, miteinander verbunden. Als Laufmetall, das durch Schweissen aufplattiert wird, dient vorzugsweise Bronze wie Nida- oder Carobrnze bezw. Zinnbronze oder auch allgemein Kupferlegierungen mit Schwermetall-Silizium-Zusätzen, Sondermessinge mit Zusätzen von Mangansilizid, Siliziumphosphat oder Mangan, Aluminium, Eisen und Silizium. Bewährt haben sich Kupferlegierungen nach Corson mit 2-5% Nickel, 0,5-1,25% Silizium, Rest Kupfer, oder auch Kupfer-Nickel-Aluminium-Legierungen mit 1-10% Nickel und 0,1-6% Aluminium, Rest Kupfer; sowie Kupfer-Nickel-Chrom-Legierungen mit 1-6% Nickel, 0,2-2% Chrom, Rest Kupfer. Auch Kupfer-Nickel-Zinn-Bronzen sind recht vorteilhaft. Ihre Zusammensetzung beträgt tunlichst 1-5% Nickel, 1-5% Zinn, Rest Kupfer.

Es hat sich herausgestellt, dass Zinnbronzen üblicher Zusammensetzung mit 1-8% Zinn, 0,1-0,4% Phosphor, Messinge mit 5-35% Zink, sowie Sondermessinge, beispielsweise mit Mangan, Silizium, Aluminium-Zusätzen, einzeln oder mehrere, recht brauchbare Plattierwerkstoffe sind. Als besonders vorteilhaft haben sich ausserdem ausscheidungsfähige Legierungen erwiesen, bei denen nach entsprechend notwendiger Vorbehanlung unter dem Einfluss der Wärme im Verbrennungsraum des Zylinderblockes durch Ausscheidung eine Zunahme der Härte erfolgt. Für des Einlauflassen ist der Ausgangszustand mit niedrigerer Härte günstig, während die Ausscheidung die Lebensdauer des Kolbenringes erhöht.

Die Ringe können auf verschiedenem Wege hergestellt werden. Recht vorteilhaft ist es, von Stahlplatinen und Deckblechen oder auch von plattierten Stangen auszugehen. Das Plattierverfahren kann vorzugsweise unter Schutzgas erfolgen.

Der aus Platinen gewonnene Verbundwerkstoff wird an sich bekannter Weise zu einem Rohblech ausgewälzt, aus dem sogenannter Schneidedraht hergestellt wird. Der letztere wird ebenso wie das Stangenmaterial zu einem Profildraht für Kolbenringe bekannter Form von vorzugsweise rechteckigem Querschnitt gezogen, der unter Berücksichtigung der Zugabe für die spanabhebende Bearbeitung den Abmessungen der fertigen Kolbenringes entspricht. Der Profildraht wird alsdann entweder in Längen geteilt, die zu Ringen gerollt werden, oder er wird zu einer Wendel mit vorzugsweise möglichst aneinander liegenden Windungen gerollt. Die Wendel wird in der

Längsrichtung aufgeschnitten, die einzelnen Windungen werden abgetrennt und plan gerichtet. Die so erhaltenen Einzelringe sind dann der Fertigbearbeitung zuzuleiten. Sollte eine Glühung erforderlich sein, ist sie zweckdienlich so zu legen, dass der Fertigprofildraht eine Kaltverformung von etwa 25-40% erfährt.

Die Verbundwerkstoffbleche können weiterhin zu Rohren gezogen oder gebogen, alsdann auf den für Kolbenringe gewünschten Innen- und Aussendurchmesser abgedreht und geschlitzt werden, sodass beim Abstechen von Einzelringen Kolbenringe entstehen.

Die Plattierung kann gegebenenfalls auch auf Rohren in an sich bekannter Weise erfolgen, die in der Richtung ihrer Längsachse geschlitzt sind. Von diesen plattierten Rohren werden dann einzelne Ringe abgestochen und weiter bearbeitet.

Die Stärke der Laufschicht auf der Ringaussenseite richtet sich nach den jeweils auftretenden radialen Beanspruchungen und beträgt 0,1-0,2 mm. Sie ist abhängig von der Wahl des Plattierwerkstoffes und damit von der Differenz zwischen des Ausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff und Plattiergut.

Es erscheint empfehlenswert, auf das Grundmetall eine 20%ige Plattierung aufzubringen, damit genügend Werkstoff für die spanabhebende Bearbeitung verbleibt.

Wird ein Grundstoff gewählt, dessen Ausdehnungsbeiwert grösser als der des Plattiermetalles ist, so erfolgt ein umso festeres Anpressen des Kolbenringes an die Zylinder- wand, je höher die Temperatur während des Betriebes steigt. So kann beispielsweise der Grundwerkstoff, wie die bekannten Bimetalle, aus zwei Werkstoffen mit möglichst unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut sein, wobei der Werkstoff mit dem grössten Ausdehnungskoeffizienten nach innen zu liegen kommt. Als recht vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Grundwerkstoff aus der Eisennickellegierung Invar mit etwa 36% Nickel und aus einer solchen mit 22-27% Nickel besteht. Durch die Wahl von Werkstoffen mit entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten des Querschnittsanteiles der Komponenten wird der gewünschte Anstieg des Anpressdruckes des Kolbenringes mit der Temperatur erreicht.

Mitunter erscheint es zweckmässig, einige dünne selbstfedernde derartige Bimetallringe nebeneinander in einer Ringnut unterzubringen, beispielsweise in einer 3 mm breiten Nut drei Ringe von je 1 mm Stärke.

Die Abbildungen stellen Ausführungsbeispiele dar.

Die Abb. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ring,

die Abb. 2 den Grundriss desselben.

Eine Auflage a als Laufschicht ist auf einen Stahlring b aufplattiert oder aufgeschweisst.

Claims (8)

1.) Kolben- und Dichtungsring, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch die Verwendung zweier plattierter Werkstoffe derart, daß die Lauffläche des Ringes selbst bei hoher Federkraft des Ringgrundwerkstoffes noch ausreichende Gleit- und Notlaufeigeschaften sowie hohe Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist.

2.) Kolben- und Dichtungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander plattierten Metalle sich auf der ganzen Höhe des Ringes überdecken.

3.) Kolben- und Dichtungsring nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleit- und Laufmetall Kupferlegierungen in Form von Bronzen oder Messing, gegebenenfalls mit Zusätzen von Zinn, Mangan, Aluminium, Silizium und Nickel Anwendung finden.

4.) Verfahren zur Herstellung von Kolben- und Dichtungsringen nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß von plattierten Stahlstangen oder Walzplatinen ausgegangen und aus diesen Schneidedraht hergestellt wird, aus dem Profildrähte gezogen, die dann einer spanabhebenden Bearbeitung unterworfen werden.

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das plattierte Stangenmaterial zu Profildraht von vorzugsweise rechteckigem Querschnitt gezogen und dann fertig bearbeitet wird.

6.) Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Profildraht entweder in Längen geteilt und zu Ringen oder ungeteilt in Form einer Wendel mit aneinanderliegenden Windungen gerollt wird.

7.) Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel in der Längsrichtung aufgeschnitten wird und dann einzelne Windungen abgetrennt werden, die plan zu richten und dann fertig zu bearbeiten sind.

8.) Verfahren nach den Ansprüchen 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß von plattierten, innen und außen abgedrehten und alsdann in der Längsrichtung geschlitzten Rohren einzelne Ringe abgestochen und dann fertig bearbeitet werden.