Kolbenring

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring für einen Kolben eines Verbrennungsmotors mit einem Ringkörper, mit einen Ringstoß bildenden Stoßenden sowie einer den Ringaußendurchmesser bestimmenden Ringlauffläche und einer den Ringinnendurchmesser bestimmenden Ringinnenfläche sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbenrings.

Ein gattungsgemäßer Kolbenring hat den Zweck, in einem Verbrennungsmotor den Brennraum gegen das Kurbelgehäuse abzudichten und zugleich die während des Betriebs im Brennraum entstehende Wärme über seine Lauffläche vom Kolben zum Zylinder abzuleiten. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muss der Kolbenring während der Kolbenbewegung dicht an der Zylinderwand anliegen. Nun sind insbesondere die vom Ringstoß ausgehenden Stoßenden eines Kolbenrings von einer hohen Wärme- belastung betroffen, was infolge der im Kolbenring auftretenden inneren Spannungen zu einem erhöhten Radialdruck auf die Stoßenden führt. Diese erhöhte Punktkraft im Bereich der Stoßenden bewirkt eine erhöhte Anpresskraft und damit Verschleiß der Lauffläche an den Stossenden sowie ggf. in benachbarten Bereichen ein Nachlassen des Radialdrucks, was zu nicht gewollten Undichtigkeiten zwischen der Ringlauffläche und der Zylinderwand führen kann.

Um diesem Mangel zu begegnen, ist bei bekannten Kolbenringen dieser Art vorgeschlagen worden, die auftretenden unregelmäßigen Radialdrücke durch eine bestimmte Formgebung des Kolbenrings, also durch eine Schwächung oder Verstärkung seines Querschnitts, insbesondere im Bereich des Ringstoßes, zu unterdrücken. Bekannte Ausführungsformen dieser Art sind in der deutschen Patentschrift DE 100 41 802 C1 und der europäischen Patentanmeldung EP 0253 069 A1 beschrieben. Doch auch derart gestaltete Kolbenringe können dieses Problem nicht völlig zufriedenstellend lösen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolbenring so zu gestalten, dass während des Betriebs ein möglichst gleichmäßiger Radialdruck über den gesamten Umfang des Kolbenrings gegeben ist.

Die Lösung besteht in einem Kolbenring mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass am Ringkörper im Bereich jedes Stoßendes jeweils ein Abschnitt aus einem vom Werkstoff des Ringkörpers verschiedenen Werkstoff vorgesehen ist, und dass der Werkstoff der Abschnitte einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Ringkörpers. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbenrings, bei dem der Kolbenring aus einem streifenförmigen Halbzeug rundgebogen wird, wobei der den Abschnitt bildende Werkstoff vor dem Rundbiegen des Kolbenrings auf das streifenförmige Halbzeug aufgebracht wird.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den von der hohen Wärmebelastung der Stoßenden herrührenden erhöhten Radialdruck auf die Stoßenden dadurch auszugleichen, dass in diesem Bereich Abschnitte aus einem separaten Werkstoff vorgesehen sind. Dieser Werkstoff unterscheidet sich von dem für den Ringkörper verwendeten Werkstoff durch seinen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Damit wird erreicht, dass die hohe Wärmebelastung im Bereich der Stoßenden nicht mehr wie bisher zu einem Aufweiten der Stoßenden in Richtung der Zylinderwand führt, sondern dass die Stoßenden im Wesentlichen in ihrer gewünschten Position verbleiben. Damit wird die im Stand der Technik beobachtete erhöhte Punktkraft im Bereich der Stoßenden im Wesentlichen vermieden, so dass auch der Radialdruck in benachbarten Bereichen des Kolbenrings nicht mehr nach- lässt, sondern im Wesentlichen konstant bleibt. Damit kommt es auch nicht mehr zu erhöhtem Laufflächenverschleiß im Bereich der Stossenden oder zu Undichtigkeiten zwischen der Ringlauffläche und der Zylinderwand. Der erfindungsgemäße Kolbenring ist auch einfach herstellbar, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Form und Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgesehenen Abschnitte liegen im Belieben des Fachmanns, solange die erfindungsgemäße Wirkung erzielt wird. Die Abschnitte können sich bspw. zumindest teilweise über den gesamten Querschnitt jeweils eines Stoßendes des Kolbenrings erstrecken, sie können sich aber auch bspw. nur über einen der Ringinnenfläche zugewandten Teilquerschnitt eines Stoßendes des Kolbenrings erstrecken. Die Abschnitte können bspw. auch beim jeweiligen Stoßende beginnend sich stetig verringernde oder sich stufenförmig verringernde oder aber auch konstante Teilquerschnitte aufweisen. In vorteilhafter Weise können die Abschnitte 10% bis 100% der Abmessung der gesamten Ringbreite einnehmen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Abschnitte ausgehend vom jeweiligen Stoßende über einen Kreisbogen erstrecken, der einen Winkel von 15 bis 45 Grad einschließt. Eine derartige Größe ist in der Regel ausreichend, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen.

Als Werkstoffe für die Abschnitte kommen bspw. Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Hartmetallwerkstoffe oder eine Invar-Legierung in Betracht, während der Ringkörper in der Regel aus Stahl oder Gusseisen hergestellt ist.

Die erfindungsgemäßen Abschnitte können abhängig von den im Einzelfall verwendeten Werkstoffen auf beliebige Weise mit dem Ringkörper verbunden sein, bspw. mittels Plasma- oder HVOF-Spritzen, Laserschweißen, galvanischen Auftrag, Kaltspritzen, Plattieren, Reibschweißen, Kleben, Löten, Gießen oder Verbundgießen.

Schließlich kann in an sich bekannter Weise zumindest die Ringlauffläche des erfindungsgemäßen Kolbenrings mit einem Werkstoff hoher Abriebfestigkeit versehen sein. Beispiele hierfür sind Chrom, PVD-überzüge, HVOF-Schichten oder dergL

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Figur 1a ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbenrings in einer Draufsicht;

Figur 1 b den Kolbenring gemäß Figur 1a im Schnitt entlang der Linie Ib - Ib in Figur 1a;

Figur 1c den Kolbenring in der Darstellung gemäß Figur 1b mit einem überzug;

Figur 2a ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbenrings in einer Draufsicht;

Figur 2b den Kolbenring gemäß Figur 2a im Schnitt entlang der Linie IIb - IIb in Figur 2a

Figur 2c den Kolbenring in der Darstellung gemäß Figur 2b mit einem überzug;

Figur 3 ein Halbzeug zur Herstellung eines Kolbenrings gemäß Figur 2a in einer Draufsicht.

Die Figuren 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenrings 10 für einen Kolben eines Verbrennungsmotors. Der Kolbenring 10 ist aus Stahl oder Gusseisen hergestellt und weist einen Ringkörper 11 mit in etwa rechteckigen Querschnitt auf. Der Kolbenring 10 weist entlang seiner Außenum- fangsfläche eine Ringlauffläche 12 auf, die den Außendurchmesser des Kolbenrings 10 bestimmt. Der Kolbenring 10 weist ferner eine den Ringinnendurchmesser bestimmende Ringinnenfläche 13 auf. Schließlich weist der Kolbenring 10 einen Ringstoß 14 auf, der von Stoßenden 15, 16 gebildet und begrenzt wird.

Der Kolbenring 10 ist im Bereich seiner Stoßenden 15, 16 mit Abschnitten 17, 18 versehen, die aus einem Werkstoff hergestellt sind, der einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Ringkörpers 11. Die Abschnitte 17, 18 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über den gesamten Querschnitt der Stoßenden, wie aus den Figuren 1 b und 1c ersichtlich ist.

Für einen Ringkörper 11 aus Stahl oder Gusseisen eignen sich als Werkstoff für die Abschnitte bspw. Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Hartmetallwerkstoffe oder einer Invar-Legierung. Die Abschnitte 17, 18 sind je nach den verwendeten Werkstoffen mittels Plasma- oder HVOF-Spritzen, Laserschweißen, galvanischen Auftrag, Kaltspritzen, Plattieren, Reibschweißen, Kleben, Löten, Gießen oder Verbundgießen mit dem Ringkörper verbunden. Die Abschnitte 17, 18 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über einen Kreisbogen des Kolbenrings 10, der einen Winkel α von 30 Grad einschließt.

Aus Figur 1c ist ersichtlich, dass der Kolbenring 10 mit einer Beschichtung 19 aus einem Werkstoff mit hoher Abriebfestigkeit versehen ist. Derartige Beschichtungen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind an sich bekannt.

Die Figuren 2a und 2b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenrings 20 für einen Kolben eines Verbrennungsmotors. Der Kolbenring 20 ist aus Stahl oder Gusseisen hergestellt und weist einen Ringkörper 21 mit in etwa rechteckigen Querschnitt auf. Der Kolbenring 20 weist entlang seiner Außenum- fangsfläche eine Ringlauffläche 22 auf, die den Außendurchmesser des Kolbenrings 20 bestimmt. Der Kolbenring 20 weist ferner eine den Ringinnendurchmesser bestimmende Ringinnenfläche 23 auf. Schließlich weist der Kolbenring 20 einen Ringstoß 24 auf, der von Stoßenden 25, 26 gebildet und begrenzt wird.

Der Kolbenring 20 ist im Bereich seiner Stoßenden 25, 26 mit Abschnitten 27, 28 versehen, die aus einem Werkstoff hergestellt sind, der einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Ringkörpers 21. Die Abschnitte 27, 28 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel jeweils über einen der Ringinnenfläche 23 zugewandten Teilquerschnitt jedes Stoßendes 25, 26 des Kolbenrings 20, wie aus den Figuren 2b und 2c ersichtlich ist. Im Ausführungsbeispiel sind die Abschnitte 27, 28 in etwa keilförmig ausgebildet, d.h. die Abschnitte 27, 28 weisen bei den Stoßenden 25, 26 beginnend sich stetig verringernde Teilquerschnitte auf. Die Abschnitte können selbstverständlich auch mit sich stufenförmig verringernden Teilquerschnitten ausgebildet oder durchgehend einen konstanten Teilquerschnitt aufweisen. Schließlich können die Abschnitte sich am jeweiligen Stoßende über den gesamten

Querschnitt erstrecken, ähnlich wie es in Figur 1a dargestellt ist und davon ausgehend sich stetig oder stufenförmig verringernde Teilquerschnitte aufweisen.

Für einen Ringkörper 21 aus Stahl oder Gusseisen eignen sich als Werkstoff für die Abschnitte bspw. Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Hartmetallwerkstoffe oder einer Invar-Legierung. Die Abschnitte 27, 28 sind je nach den verwendeten Werkstoffen mittels Plasma- oder HVOF-Spritzen, Laserschweißen, galvanischen Auftrag, Kaltspritzen, Plattieren, Reibschweißen, Kleben, Löten, Gießen oder Verbundgießen mit dem Ringkörper verbunden. Die Abschnitte 27, 28 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über einen Kreisbogen des Kolbenrings 20, der einen Winkel α von 30 Grad einschließt.

Aus Figur 2c ist ersichtlich, dass der Kolbenring 20 an der Lauffläche mit einer Be- schichtung 29 aus einem Werkstoff mit hoher Abriebfestigkeit versehen ist. Derartige Beschichtungen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind an sich bekannt.

Figur 3 zeigt schematisch ein streifenförmiges Halbzeug 30, wie es in an sich bekannter Weise zur Herstellung von Kolbenringen verwendet wird. Das Halbzeug 30 ist im Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Kolbenrings 20 gemäß Figur 2a vorgesehen und weist einen Grundkörper 31 auf, der in seinen Endbereichen mit den Abschnitten 27, 28 versehen ist.