verbesserten Verschleißeigenschaften

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolbenringe für Kolbenmaschinen insbesondere für V erbrennungsmotoren.

Bisher sind sehr viele verschiedene Arten von Kolbenringen bekannt.

Es ist jedoch immer noch wünschenswert einen Kolbenring zur Verfügung zu haben, der verbesserte Eigenschaften bezüglich Abrieb und verringertem Blowby aufweist.

Gemäß einem ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring mit verbesserten Verschleißeigenschaften bereitgestellt; der verbesserte Kolbenring weist eine Lauffläche, eine obere Ringflanke, eine untere Ringflanke und eine Innenfläche auf. Der Kolbenring weist in einem eingebauten Zustand einen Radius R auf. Eine Lauffläche bzw. äußere Mantelfläche bzw. Außenfläche umfasst einen oberen Bereich, einen mittleren Bereich und eine unteren Bereich. Der obere Bereich, der mittlere Bereich und der untere Bereich erstrecken sich jeweils in Axial- und Umfangsrichtung, wobei sie in Axialrichtung direkt oder durch Übergangsbereiche getrennt neben- bzw. Übereinanderliegen. Der Begriff „oben“ soll hier„brennraumseitig“ und der Begriff„unten“ soll als„kurbelwellenseitig“ verstanden werden. Der mittlere Bereich soll dabei den Teil des Kolbenrings darstellten, mit dem der Kolbenring tatsächlich mit einer Zylinderinnenfläche einer Kolbenmaschine in Kontakt steht. Der obere Bereich der Laufflächenkontur weist dabei einen Krümmungsradius R _o auf, der zwischen dem Ringradius R und Unendlich liegt. Der mittlere Bereich der Laufflächenkontur weist eine Krümmungsradius R _om auf, der zwischen dem Ringradius R und Unendlich liegt. Der untere Bereich weist einen Krümmungsradius R _u aufweist, der kleiner ist als der Ringradius R.

Eine Ausführungsform des Kolbenrings weist einen mittleren Tangentenwinkel des oberen Bereichs der Laufflächenkontur auf, der zwischen 2 bis 40, bevorzugt 4 bis 30 mal und weiter bevorzugt 10 bis 20 mal so groß ist wie ein mittlerer T angentenwinkel des mittleren Bereichs. Der Tangentenwinkel ist dabei definiert als der Winkel einer Tangente an den Krümmungsradius R _o oder R _m , deren Fußpunkt sich aus der Winkelhalbierenden der Erstreckung der Krümmung des oberen bzw. mittleren Bereichs ergibt, zu der Axialrichtung des Kolbenrings. Der obere bzw. mittlere Bereich weist jeweils in einem Winkelbereich einen Krümmungsradius auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Kolbenrings weist der obere Bereich der Laufflächenkontur einen Krümmungsradius R _< , auf, der zwischen dem Ringradius R und 4R liegt, und der mittlere Bereich der Laufflächenkontur weist einen Krümmungsradius R _m auf, der zwischen dem Ringradius R und 4R liegt, und der untere Bereich weist einen

Krümmungsradius R _u auf, der kleiner ist als 1/2 R.

Bei einer anderen Ausführungsform des Kolbenrings weist der obere Bereich der

Laufflächenkontur einen Krümmungsradius R _< , auf, der zwischen dem Ringradius R und 4R liegt, der mittlere Bereich der Laufflächenkontur weist einen Krümmungsradius R _m auf, der zwischen dem Ringradius R und 4R liegt, und der untere Bereich weist einen

Krümmungsradius R _u auf, der kleiner ist als 1/2 R. Der untere Bereich hat also einen deutlich geringeren Krümmungsradius als die beiden oberen Bereiche.

Bei einer zusätzlichen Ausführung des Kolbenrings weist der obere Bereich der

Lauffl ächenkontur einen Krümmungsradius R _< , auf, der zwischen dem Ringradius R und 2R liegt, der mittlere Bereich der Laufflächenkontur weist einen Krümmungsradius R _m auf, der zwischen dem Ringradius R und 2R liegt, und der untere Bereich weist einen

Krümmungsradius R _u auf, der kleiner ist als eine Ringhöhe h. Die Ringhöhe ist als ein größter Abstand zwischen der unteren Ringflanke und der oberen Ringflanke definiert. Es werden durch diese Ausführungen auch Kolbenringe abgedeckt, deren Lauffläche eine (Teil- ) Oberfläche einer Spindel bis Homtorus mit einem Verhältnis R/r zwischen 1 und 2 umfassen.

Eine weitere Ausführungsform des Kolbenrings zeichnet sich dadurch aus, dass der obere Bereich der Laufflächenkontur einen Krümmungsradius R , aufweist, der zwischen dem Ringradius R und 1,5R liegt, der mittlere Bereich der Laufflächenkontur einen

Krümmungsradius R _m aufweist, der zwischen dem Ringradius R und 1 ,5R liegt, und der untere Bereich einen Krümmungsradius R _u aufweist, der kleiner ist als eine halbe Ringhöhe h. Damit ist der Krümmungsradius der Lauffläche direkt an den Radius des Kolbenrings angelehnt, und die Lauffläche weist eine nahezu kugelförmige Oberfläche auf. Es werden durch diese Ausführungen auch Kolbenringe abgedeckt deren Lauffläche eine (Teil-) Oberfläche eines Spindeltorus mit einem Verhältnis R/r (wobei R und r hier die

Torusparameter darstellen) zwischen 1 und 1 ,5 aufweisen, wobei auch der Fall der Entartung zur Kugel (bei der der Torusparameter R gleich 0 ist) eingeschlossen ist, bei der der mittlere Bereich einen Teil einer Kugelfläche bildet.

Die Fläche des oberen Bereichs bildet übrigens im Allgemeinen keine Ellipsenfläche, sondern Teil einer Torus-Oberfläche.

Eine weitere Ausführungsform des vorliegenden Kolbenrings zeichnet sich dadurch aus, dass die Ringkontur in einem radialen Schnitt, zwischen dem oberen Bereich und dem mittleren Bereich einen oberen Übergangsbereich aufweist, der einen V errundungsradius R _{ü 0m} aufweist der zwischen 1/100 und der Ringhöhe h, bevorzugt zwischen 1/50 und 1/5 der Ringhöhe h und weiter bevorzugt zwischen 1/30 und einem 1/10 der Ringhöhe h liegt.

Bei einer zusätzlichen Ausfuhrungsform des Kolbenrings weist die Ringkontur in einem radialen Schnitt zwischen dem oberen Bereich und dem mittleren Bereich einen oberen Übergangsbereich auf, der einen V errundugsradius R _{ü 0m} aufweist, der zwischen 0,002 und 0,5mm, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,4mm und weiter bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3mm beträgt.

Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings weist die Ringkontur in einem radialen Schnitt zwischen dem mittleren Bereich und dem unteren Bereich einen unteren

Übergangsbereich auf, der einen V errundungsradius R _u>mu zeigt, der zwischen 1/100 und der Ringhöhe h, bevorzugt zwischen 1/50 und 1/5 der Ringhöhe h und weiter bevorzugt zwischen 1/30 und einem 1/10 der Ringhöhe h beträgt. Auch hier wird die Größe des V errundungsradius durch eine Abmessung des Kolbenrings definiert.

Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings weist die Ringkontur in einem radialen Schnitt zwischen dem oberen Bereich und dem mittleren Bereich einen oberen

Übergangsbereich auf, der einen V errundugsradius R _{ü om} aufweist, der zwischen 0,002 und 0,5mm, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,4mm und weiter bevorzugt zwischen 0, 1 und 0,3mm beträgt.

Bei einer anderen beispielhaften Ausführung des Kolbenrings ist der untere

Krümmungsradius R _u größer ist als der V errundungsradius R _{ü mu} und/oder R _ü>om , bevorzugt mindestens 5 mal so groß ist wie R _{U mu} und/oder R _{ü om} und weiter bevorzugt mindestens 10 mal so groß ist als R _{U mu} und/oder R _{ü om} .

Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings ist der mittlere

Krümmungsradius R _m größer ist als der obere Krümmungsradius R*,. Bevorzugt ist der mittleren Krümmungsradius 2 bis 20 mal so groß ist wie R _< , und weiter bevorzugt mindestens 4 bis 10 mal so groß wie R^.

Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführung des Kolbenrings erstreckt sich der mittlere Bereich zwischen 50 und 95 bevorzugt zwischen 60 und 90 und weiter bevorzugt zwischen 70 und 85% der Höhe h des Kolbenrings. Der Großteil der Kolbenring-Mantelfläche wird dabei durch den mittleren Teil gebildet, der dazu bestimmt ist tatsächlich mit einer Zylinderinnenfläche in Kontakt zu stehen.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Kolbenring- /Kolbenkombination mit verbesserten V erschleißeigenschaften des Kolbenrings

bereitgestellt. Die Kolbenring-ZKolbenkombination umfasst einen Kolben mit einer

Kolbenringnut und einem Kolbenring wie er vorstehend beschrieben ist. Die Kolbenringnut weist eine Kolbenringnutbreite B auf, und der Kolbenring weist eine radiale Dicke oder auch radiale Wandstärke W auf. Ein Betrag eines Winkel a zwischen einer Axialrichtung und einer gemittelten Tangente (bzw. mittleren Steigung) des mittleren Bereichs ist dabei kleiner gleich dem inversen Tangens eines Quotienten, bei dem der Dividend durch die Differenz zwischen der Kolbenringnutbreite B und der Ringhöhe h und der Divisor durch die radiale Dicke W des Kolbenrings gebildet wird. Der Dividend ist demnach durch das Axialspiel des Kolbenrings in der Kolbenringnut definiert, während der Divisor der radialen Tiefe des Kolbenrings entspricht. Damit wird die mittlere Steigung des mittleren Bereichs des

Kolbenrings mit einem möglichen V erkippungsgrad bzw. Twisten des Kolbenrings in der Kolbenringnut in Verbindung gebracht. Es ist dabei ebenfalls möglich einen negativen Winkel zu erhalten, sofern durch ein Twisten des Rings ein positiver Winkel erreicht wird, mit dem Öl in einem Spalt zwischen Kolben und Zylinder bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens abgestreift werden kann.

Dieser Aspekt kann ebenfalls durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

Mit anderen Worten ist der Betrag des Winkels a kleiner gleich einem maximalen

Twistwinkels des Kolbenrings in der Kolbenringnut.

Bei einer anderen beispielhaften Ausführung der Kolbenring-ZKolbenkombination liegt ein Betrag eines Winkel ß zwischen einer Axialrichtung und einer gemittelten Tangente (bzw. einer mittleren Steigung) des oberen Bereichs über einer Summe aus einem Wert a und einem Wert d, der zwischen 30‘ bis 180’ beträgt. Damit ist die gemittelte Tangente des mittleren Bereichs um ein halbes Winkelgrad bis drei Winkelgrad schwächer zur

Axialrichtung geneigt als die gemittelte Tangente des oberen Bereichs. Der obere und untere Bereich bilden dabei (gemittelt) eine Art Knick-Kegelstumpf.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von schematischen Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen beschrieben.

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Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine Laufflächenkontur eines erfmdungsgemäßen Kolbenrings gemäß einer ersten Ausführungsform.

Figur 2 stellt einen Schnitt durch eine Laufflächenkontur eines erfindungsgemäßen Kolbenrings gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform dar.

Figur 3 zeigt die Winkelverhältnisse zwischen einem oberen Bereich und einem mittleren Bereich anhand einer Laufflächenkontur eines erfindungsgemäßen Kolbenrings gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform.

Figur 4 stellt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kolbenring dar, um den Kolbenringradius zu verdeutlichen.

Im Folgenden werden sowohl in der Zeichnung als auch in den Figuren gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet um auf gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente Bezug zu nehmen.

Im Folgenden wird nicht zwischen den jeweiligen Krümmungsradien des oberen, mittleren und unteren Bereichs und den jeweiligen Bereichen unterschieden, da diese Bereiche jeweils durch ihre Krümmungsradien definiert sind. Die Bezugszeichen R _Q , R _m und R _u stehen daher sowohl für einen axialen Bereich der Laufflächenkontur als auch für deren jeweiligen n Wert des Krümmungsradius.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine Laufflächenkontur eines erfindungsgemäßen Kolbenrings gemäß einer ersten Ausführungsform. In der Figur 1 weist der obere Abschnitt der Kontur der Lauffläche einen Krümmungsradius R _< , auf, der zwischen dem Ringradius bzw. halben Ringdurchmesser des eingebauten Kolbenrings und oo liegt. Der obere Bereich der Laufflächenkontur ist dabei nach innen geneigt, und bildet einen Ausschnitt einer Torusoberfläche. Der obere Bereich der Laufflächenkontur ist am weitesten dem Brennraum zugewandt. Unterhalb des oberen Bereichs R _< , befindet sich ein oberer Übergangsbereich Ru.om der eine Übergang zu einem mittleren Bereich Rm des Kolbenrings bildet. Der obere Übergansbereich R _{ü 0m} bildet ebenfalls ein Teil einer Torusoberfläche. Der Krümmungsradius R _ü>om ist wesentlich kleiner als der Krümmungsradius des oberen Bereichs. Der Krümmungsradius R _ü,om ist wesentlich ebenfalls mindestens um einen Faktor 10 kleiner als eine Höhe h des Kolbenrings. Unterhalb des oberen Übergangsbereich R _{ü 0m} schließt sich ein mittlerer Bereich Rm an, der tatsächlich mit einer Zylinderinnenseite in Kontakt stehen soll. Der mittlere Bereich der Kontur der Lauffläche weist einen Krümmungsradius R _< , auf, der zwischen dem Ringradius bzw. halben Ringdurchmesser des eingebauten Kolbenrings und oo liegt. Unterhalb des mittleren Bereichs R _m schließt sich in Figur 1 ein weiterer Übergangsbereich, ein unterer Übergangsbereich R _{ü tm)} an, der einen Übergang zu einem unteren Laufflächenkonturabschnitt R _u bildet. Wie der obere Übergansbereich R _{ü om} weist auch der untere Übergangsbereich R _{ü mu} einen Krümmungsradius auf, der in Bezug auf die Höhe des Kolbenrings klein ist, und maximal 1/10 der Höhe h beträgt. Unterhalb des unteren Übergangsbereichs schließt sich ein unterer Bereich R _u der Laufflächenkontur an, dessen Krümmungsradius kleiner ist als der Radius des Kolbenrings in einem eingebauten Zustand.

Je nach Belastungsszenario kann hier durch die Formgebung ein Verschleiß so verteilt werden, dass er insgesamt weniger stark ausfällt als beispielsweise bei herkömmlichen Minuten- oder Nasen-Minutenringen.

Figur 2 stellt einen Schnitt durch eine Laufflächenkontur eines erfmdungsgemäß en Kolbenrings gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform dar. In der Figur 2 weisen der obere Bereich R _< , und der mittlere Bereich R _m deutlich größere Krümmungsradien auf als bei der Ausführung der Figur 1. Der obere Übergangsbereich R _{ü om} weist wie im Fall der Figur 1 einen relativ kleinen Wert auf. Der untere Bereich R _m der Laufflächenkontur weist einen im Vergleich zur Figur 1 kleineren Krümmungsradius auf. Der mittlere Bereich R _m der Laufflächenkontur geht übergangslos in den unteren Bereich R _u der Laufflächenkontur über. Der mittlere Bereich R _m und der untere Bereich R _u der Laufflächenkontur treffen sich an einem Punkt bei dem die jeweiligen Tangenten des mittleren Bereichs R _m und des unteren Bereichs R _u zusammenfallen. Durch den deutlich kleineren Krümmungsradius kann auf den unteren Übergangsbereich wie er in der Figur 1 verwendet wird verzichtet werden. Der Krümmungsradius des unteren Bereichs R _u ist dabei mindestens 10 Mal kleiner als der des mittleren Bereichs. Der Krümmungsradius des unteren Bereichs R _u kann aber auch mindestens 100-mal kleiner sein als der des mittleren Bereichs sein. In der Figur 2 geht der mittlere Bereich R _m der Laufflächenkontur stetig und tangentenstetig in den unteren Bereich R _u der Laufflächenkontur über.

Figur 3 zeigt die Winkelverhältnisse zwischen einem oberen Bereich R«, und einem mittleren Bereich R _m anhand einer Laufflächenkontur eines erfindungsgemäßen Kolbenrings gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform. In der Figur weist der obere Bereich R*, einen nahezu unendlich großen Krümmungsradius auf. Durch den großen Krümmungsradius des oberen Bereichs R _« , fallen alle Tangenten an dem oberen Bereich R _< , der Laufflächenkontur in erster Näherung zusammen. In Figur 3 weist der mittlere Bereich R _m ebenfalls einen nahezu unendlich großen Krümmungsradius auf. Der große Krümmungsradius des mittleren Bereichs R _m bewirkt dass alle Tangenten dieses Abschnitts der Laufflächenkontur in erster Näherung zusammenfallen. Zwischen dem oberen Bereich Ro und dem mittleren Bereich R _m ist ein Übergangsbereich R _{ü om} angeordnet, der einen stetigen und tangentenstetigen Übergang zwischen dem oberen Bereich R^ und dem mittleren Bereich R _m erreicht. Die Formen des oberen und mittleren Bereichs bilden zusammen eine Art Knick-Kegelstumpf. Der untere Bereich R _u ist über den unteren Übergangsbereich R _{U mu} stetig und tangentenstetig mit dem mittleren Bereich R _m verbunden. Die Figur zeigt dabei den unterschied der Kegelwinkel a des mittleren Bereichs R _m der Laufflächenkontur und des Kegelwinkels ß des oberen Bereichs R, der Lauffl ächenkontur . Dabei liegt der Winkel ß des oberen Bereichs R _< , in und leicht über einem Wertebereich wie er von Minutenringen bekannt ist. Der Winkel a des mittleren Bereichs R _m liegt deutlich unter dem Wert ß und kann in einem Bereich zwischen wenigen Winkelminuten bis 2 Winkelgrad betragen.

Figur 4 stellt eine Aufsicht in einer Axialrichtung auf einen erfindungsgemäßen Kolbenring dar, wobei die Figur den Kolbenringradius R verdeutlicht.

Bei allen vorgestellten Ausfuhrungsformen ist die Laufflächenkontur immer stetig und tangentenstetig auch bei allen Übergängen zwischen den jeweiligen Bereichen und zwischen den jeweiligen Bereichen und den jeweiligen Übergängen.

Bezugzszeichenliste h Ringhöhe h

R Kolbenringradius

R _o Krümmungsradius eines oberen Bereichs der Laufflächenkontur

R _m Krümmungsradius eines mittleren Bereichs der Laufflächenkontur

R _u Krümmungsradius eines unteren Bereichs der Laufflächenkontur

R _ü>om Vemmdugsradius einen oberen Übergangsbereichs zwischen R^ und R _m

R _ü>mu V errundugsradius einen oberen Übergangsberei chs zwischen R _m und R _y

W radiale Dicke bzw. radiale Wandstätke des Kolbenrings

a Winkel a zwischen einer Axialrichtung und einer gemittelten Tangente des mittleren Bereichs

ß Winkel zwischen einer Axialrichtung und einer gemittelten Tangente des oberen Bereichs

d ein Wert der zwischen 30‘ bis 180’