DE102007057958A1

DE102007057958A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings sowie Kolbenring

Info

Publication number: DE102007057958A1
Application number: DE102007057958A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Ißler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-12-01
Filing date: 2007-12-01
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, wobei durch Ausstanzen Abschnitte (13; 13a, 13b, 13c) gebildet werden, die durch einen Steg (11) verbunden sind und Mantelflächen (14; 14a, 14b, 14c) zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche (17) aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) beim Ausstanzen des Metallfederbandes im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Kolbenring (10), der sich dadurch auszeichnet, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) im Querschnitt abgeschrägt gestanzt ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, wobei durch Ausstanzen Abschnitte gebildet werden, die durch einen Steg verbunden sind und Mantelflächen zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband welches Abschnitte aufweist, die durch einen Steg verbunden und zu einem radial nach außen offenen U-förmigen Querschnitt gebogen sind sowie Mantelflächen zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche aufweisen.
Kolbenringe sind in umlaufende Kolbenringnuten aufgenommen, die in der Mantelfläche eines Kolbens eingearbeitet sind. Kolbenringe haben in einem Verbrennungsmotor die Aufgabe, den Verbrennungsraum gegenüber dem Kurbelgehäuseraum abzudichten und den Wärmefluss vom Kolben zum Zylinder zu gewährleisten. Eine zusätzliche Aufgabe besteht darin, das für die Schmierung nicht benötigte Öl an seinem Durchtritt vom Kurbelgehäuseraum zum Verbrennungsraum zu hindern und für einen gleichmäßigen Ölfilm auf der Zylinderlauffläche zu sorgen. Dazu ist es notwendig, dass die Kolbenringe an der Zylinderlauffläche und an der Flanke der Kolbennut anliegen. Die radiale Anlage an der Zylinderlauffläche wird im Allgemeinen durch die eigene Federkraft des Kolbenrings bewirkt.
Diese Aufgabe wird besonders gut durch so genannte „U-Flex-Kolbenringe" erfüllt, wie sie bspw. in der EP 1 369 626 A2 beschrieben sind. Die Mantelflächen der Abschnitte derartiger Kolbenringe erfordern bei der Herstellung allerdings eine aufwändige Läpp- und Schleifbearbeitung. Außerdem benötigen derartige Kolbenringe während des Motorbetriebs eine vergleichsweise lange Einlaufzeit.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines gattungsgemäßen Kolbenrings bereitzustellen sowie einen gattungsgemäßen Kolbenring derart weiterzubilden, dass während des Motorbetriebs seine Einlaufzeit verkürzt ist.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Kolbenring mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Mantelfläche jedes Abschnitts beim Ausstanzen des Metallfederbandes im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet wird. Dementsprechend ist beim erfindungsgemäßen Kolbenring die Mantelfläche jedes Abschnitts im Querschnitt abgeschrägt gestanzt ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, dass die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenrings wesentlich vereinfacht wird, da in ein und demselben Arbeitsgang, nämlich dem Ausstanzen des Kolbenringrohlings aus einem Metallfederband, die im Wesentlichen endgültige Kontur der Mantelflächen hergestellt wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene, im Querschnitt abgeschrägt ausgebildete Mantelfläche hat den wesentlichen Vorteil, dass das Einlaufverhalten des erfindungsgemäßen Kolbenrings erheblich verbessert wird. Dies führt dazu, dass die Einlaufzeit während des Betriebs des Verbrennungsmotors verkürzt und der Ölverbrauch in der Einlaufphase des Verbrennungsmotors verringert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Mantelflächen können bspw. derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet werden, dass sie parallel zueinander verlaufen, um eine möglichst gleichmäßige tribologische Wechselwirkung mit der Zylinderlauffläche zu erzielen. Die Mantelflächen können ferner derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet werden, dass sie mit einer Transversalachse (T) des Metallfederbandes einen Winkel (α) von 2° bis 15°, vorzugsweise 5° bis 10°, einschließen. Diese Bemessung hat sich in Versuchen als besonders zweckmäßig und wirkungsvoll erwiesen.
Zur weiteren Optimierung des tribologischen Kontakts zwischen den Mantelflächen und der Zylinderlauffläche können in einem Fertigbearbeitungsschritt die im Querschnitt abgeschrägt ausgebildeten Mantelflächen teilweise abgeflacht werden.
Die Mantelfläche jedes Abschnitts kann beim Ausstanzen des Metallfederbandes gerade ausgebildet werden. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht jedoch vor, dass die Mantelfläche jedes Abschnitts bogenförmig ausgebildet wird. Damit wird eine Anpassung der Kontur der Mantelfläche an die Rundung der Zylinderlauffläche zugleich mit dem Ausstanzen des Kolbenringrohlings vorgenommen, so dass der im Stand der Technik notwendige Arbeitsschritt des Lappens bzw. Schleifens der Mantelfläche wesentlich reduziert wird oder sogar ganz wegfällt. Falls eine Oberflächenfeinbearbeitung gewünscht ist, könnte ein derartiger Arbeitsgang mit deutlich reduziertem Aufwand beibehalten werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass bereits beim Einlaufen während des Motorbetriebs ein weiter optimierter tribologischer Kontakt zwischen den Mantelflächen der Abschnitte des erfindungsgemäßen Kolbenrings und der Zylinderlauffläche besteht, woraus ein besonders sicherer, weniger störanfälliger Motorbetrieb resultiert, da die erfindungsgemäßen Kolbenringe die ihnen zugedachten Aufgaben hinsichtlich Abdichtung und Schmierung von Beginn an besonders gut erfüllen.
Die Mantelflächen der einzelnen Abschnitte können so ausgebildet sein, dass ihr bogenförmiger Vorlauf exakt der Rundung der ihnen zugeordneten Zylinderlaufflächen entspricht. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Bogenform der Mantelfläche auch um bis zu ±20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche abweichen, ohne dass die mit dieser Weiterbildung erreichbaren vorteilhaften Effekte wesentlich beeinträchtigt werden.
Der die einzelnen Abschnitte verbindende Steg kann mit Aussparungen versehen sein, um die Flexibilität des Metallfederbands zu erhöhen und das Biegen zum fertigen Kolbenring zu erleichtern. Die Aussparungen können in besonders vorteilhafter Weise mit abgerundeten Ecken gebildet werden, um die während des Motorbetriebs auftretenden Belastungen zu reduzieren und Rissbildungen zu vermeiden. Als besonders wirksam hat sich dabei eine Ausbildung abgerundeten Ecken in Form zweier unterschiedlicher, ineinander übergehender Radien R1 und R2 ergeben. Diese Form kann, wenn dies gewünscht ist, weiter optimiert werden, indem die Radien R1 und R2 so gebildet werden, dass das Verhältnis von R1 zu R2 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbenrings besteht darin, dass der Steg mit senkrecht zur Längsachse des Stegs angeordneten schlitzförmigen Aussparungen versehen wird, wodurch eine besonders hohe Flexibilität erzielt wird.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenrings kann insbesondere ein Stahlfederband verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Kolbenring wird insbesondere als Ölabstreifring verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 eine Abwicklung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings mit teilweise aufgebogenen Abschnitten, wobei zwei Ausführungsformen dargestellt sind;
2a einen Schnitt entlang der Linie IIa-IIa in 1;
2b einen Schnitt entlang der Linie IIb-IIb in 1;
2c eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A in 1;
3a einen Schnitt entlang der Linie IIIa-IIIa in 1;
3b einen Schnitt entlang der Linie IIIb-IIIb in 1;
3c eine Draufsicht in Richtung des Pfeils B in 1;
4 eine Draufsicht auf den fertig gebogenen Kolbenring aus 1;
5 eine vergrößerte Darstellung einer abgerundeten Ecke einer Aussparung im Steg des Kolbenrings aus 1.
Die 1 bis 3c zeigen den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kolbenrings 10, wobei zwei Ausführungsformen zusammengefasst dargestellt sind. Der Kolbenring 10 weist einen Steg 11 auf, der im Ausführungsbeispiel über seine Länge mit in regelmäßigen Abständen angeordneten Aussparungen 12 versehen ist. Die Aussparungen 12 sind im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Längsachse L des Stegs 11 angeordnet und schlitzförmig ausgebildet. Andere geeignete und je nach den Anforderungen des Einzelfalls ausgebildete Formen der Aussparungen 12 sind selbstverständlich denkbar. Zu beiden Seiten des Steges 11 sind einzelne lappenförmige Abschnitte 13 ausgebildet. Die Abschnitte 13 können gerade ausgebildete Mantelflächen 14a oder bogenförmig ausgebildete Mantelflächen 14b aufweisen, die in 1 gemeinsam dargestellt sind. Wie insbesondere aus den 2b und 3b ersichtlich ist, sind die Abschnitte 13 beim fertigen Kolbenring 10 derart aufgebogen, dass sich ein im Wesentlichen U-förmiger Querschnitt ergibt, wobei die sich auf beiden Seiten des Stegs 11 gegenüberstehenden Abschnitte 13 parallel zueinander verlaufen. Die nun radial nach außen gerichteten Mantelflächen 14a, 14b stellen somit die tribologischen Kontaktflächen zu einer dem Kolbenring 10 zugeordneten Zylinderlauffläche (nicht dargestellt) dar. In 1 ist auf beiden Seiten des Stegs 11 nur jeder zweite Abschnitt 13 um 90° gegenüber dem Steg 11 aufgebogen dargestellt, um eine übersichtliche Darstellung zu erhalten.
Erfindungsgemäß sind die Mantelflächen 14a, 14b im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet, wobei die so ausgebildeten Mantelflächen im Ausführungsbeispiel parallel zueinander verlaufen, wie insbesondere aus den 2a, 2b bzw. 3a, 3b ersichtlich ist. Im Ausführungsbeispiel schließen die im Querschnitt abschrägt ausgebildeten Mantelflächen 14a, 14b mit einer Transversalachse (T) des Metallfederbandes einen Winkel (α) von 2° bis 15°, bevorzugt 5° bis 10° ein (vgl. 2a bzw. 3a). In einem Fertigbearbeitungsschritt können die im Querschnitt abgeschrägt ausgebildeten Mantelflächen 14a, 14b teilweise abgeflacht werden, wobei zweckmäßi gerweise die Spitze 15a, 15b der abgeschrägt ausgebildeten Mantelfläche 14a, 14b abgeflacht wird (nicht dargestellt).
Der erfindungsgemäße Kolbenring 10 wird aus einem Metallfederband, vorzugsweise einem Stahlfederband, ausgestanzt, wobei die Mantelflächen 14a, 14b erfindungsgemäß bereits ihre im Querschnitt abgeschrägt ausgebildete Kontur erhalten. Falls zusätzlich eine bogenförmige Kontur der Mantelflächen 14b erwünscht ist, kann diese ebenfalls beim Ausstanzen ausgebildet werden. Nach dem Ausstanzen wird das Metallfederband in an sich bekannter Weise gebogen und einzelne Kolbenringrohlinge abgetrennt, die je nach den Anforderungen des Einzelfalls in an sich bekannter Weise fertig bearbeitet werden. Dabei werden die Abschnitte 13 um 90° gegenüber dem Steg 11 aufgebogen, so dass der Kolbenringrohling den im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt erhält. Die bereits nach dem Ausstanzen mit der im Querschnitt abgeschrägten Kontur, ggf. auch mit der bogenförmigen Kontur versehenen Mantelflächen 14a, 14b können zusätzlich mit einer tribologischen Schicht versehen und/oder einer Oberflächenfeinbearbeitung unterzogen werden.
4 zeigt den fertig gebogenen Kolbenring 10 aus 1. Es ist zu erkennen, dass die einzelnen, sich auf beiden Seiten des Stegs 11 gegenüber liegenden Abschnitte 13 „auf Lücke" angeordnet sind. Das bedeutet, dass ein Abschnitt 13 auf einer Seite des Stegs 11 einer Lücke 16 auf der gegenüber liegenden Seite des Stegs 11 gegenüberliegt. Die Lücken 16 werden dabei durch zwei auf derselben Seite des Stegs 11 einander benachbarte Abschnitte 13 gebildet. Die freien Enden des Kolbenrings 10 bilden in an sich bekannter Weise einen Stoß 17.
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Ecken der im Steg 11 ausgebildeten Aussparungen 12. Die Aussparungen 12 sind mit abgerundeten Ecken 18 versehen, um die während des Motorbetriebs auftretenden Belastungen zu reduzieren und Rissbildungen oder Plastifizierungen zu vermeiden. Dabei sind im Ausführungsbeispiel die abgerundeten Ecken 18 in Form zweier unterschiedlicher, ineinander übergehender Radien R1 und R2 ausgebildet. Die Radien R1 und R2 sind so bemessen, dass das Verhältnis des Radius R1 zum Radius R2 etwa 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt. Damit werden die auf den Steg 11 des Kolbenrings 10 wirken den Kräfte gleichmäßiger verteilt und abgeleitet, als dies bei Aussparungen mit scharfen Ecken oder gleichmäßigem Radius der Fall wäre, so dass Rissbildungen im Steg 11 oder Plastifizierungen im motorischen Betrieb und ein daraus resultierender Verlust der Ringvorspannung vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1369626 A2 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, wobei durch Ausstanzen Abschnitte (13) gebildet werden, die durch einen Steg (11) verbunden sind und Mantelflächen (14a, 14b) zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14a, 14b) jedes Abschnitts (13) beim Ausstanzen des Metallfederbandes im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14a, 14b) derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet werden, dass sie parallel zueinander verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14a, 14b) derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet werden, dass sie mit einer Transversalachse (T) des Metallfederbandes einen Winkel (α) von 2° bis 15° einschließen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14a, 14b) derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet werden, dass sie mit einer Transversalachse (T) des Metallfederbandes einen Winkel (α) von 5° bis 10° einschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fertigbearbeitungsschritt die im Querschnitt abgeschrägt ausgebildeten Mantelflächen (14a, 14b) teilweise abgeflacht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14a, 14b) jedes Abschnitts (13) beim Ausstanzen des Metallfederbandes gerade oder bogenförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14b) so ausgebildet wird, dass die Bogenform der Mantelfläche (14b) um bis zu ±20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit Aussparungen (12) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit senkrecht zur Längsachse (L) des Stegs (11) angeordneten schlitzförmigen Aussparungen (12) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) mit abgerundeten Ecken (18) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Ecken (18) aus zwei unterschiedlichen, ineinander übergehenden Radien R1 und R2 gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien R1 und R2 so gebildet werden, dass das Verhältnis von R1 zu R2 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlfederband verwendet wird.
Kolbenring (10), herstellbar nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Kolbenring (10) für einen Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband, welches Abschnitte (13) aufweist, die durch einen Steg (11) verbunden und zu einem radial nach außen offenen U-förmigen Querschnitt gebogen sind sowie Mantelflächen (14a, 14b) zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14a, 14b) jedes Abschnitts (13) im Querschnitt abgeschrägt gestanzt ausgebildet ist.
Kolbenring nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14a, 14b) derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet sind, dass sie parallel zueinander verlaufen.
Kolbenring nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14a, 14b) derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet sind, dass sie mit einer Transversalachse (T) des Metallfederbandes einen Winkel (α) von 2° bis 15° einschließen.
Kolbenring nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14a, 14b) derart im Querschnitt abgeschrägt ausgebildet sind, dass sie mit einer Transversalachse (T) des Metallfederbandes einen Winkel (α) von 5° bis 10° einschließen.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Fertigbearbeitungsschritt die im Querschnitt abgeschrägt ausgebildeten Mantelflächen (14a, 14b) teilweise abgeflacht sind.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (14; 14a, 14b, 14c) jedes Abschnitts (13; 13a, 13b, 13c) gerade oder bogenförmig gestanzt ausgebildet ist.
Kolbenring nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenform der Mantelfläche (14b) um bis zu ±20% von der Bogenform der Zylinderlauffläche abweicht.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit Aussparungen (12) versehen ist.
Kolbenring nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) mit senkrecht zur Längsachse (L) des Stegs (11) angeordneten schlitzförmigen Aussparungen (12) versehen ist.
Kolbenring nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12) mit abgerundeten Ecken (18) versehen sind.
Kolbenring nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Ecken (18) aus zwei unterschiedlichen, ineinander übergehenden Radien R1 und R2 gebildet sind.
Kolbenring nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von R1 zu R2 1 zu 2 bis 1 zu 4, vorzugsweise 1 zu 3 beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Stahlfederband hergestellt ist.
Kolbenring (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 27, nämlich ein Ölabstreifring.