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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenrings für einen
Verbrennungsmotor aus einem flachen Metallfederband mit einem von
zwei einander gegenüberliegenden Stoßenden gebildeten
Ringstoß, wobei der Kolbenring Abschnitte aufweist, die durch
einen Steg verbunden und zu einem radial nach außen offenen
U-förmigen Querschnitt gebogen sind und die Mantelflächen
zum tribologischen Kontakt mit einer Zylinderlauffläche
aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kolben
für einen Verbrennungsmotor, der mindestens einen solchen
Kolbenring aufweist.
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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.
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Diese
Aufgabe wird besonders gut durch so genannte „U-Flex-Kolbenringe"
erfüllt, wie sie bspw. in der
EP 1 369 626 A2 beschrieben
sind. Es ist allerdings nicht einfach, derartige „U-Flex-Kolbenringe" zur
Kolbenmontage sicher in den Kolbenringnuten zu halten. Hierfür
dient üblicherweise eine Feder, deren Herstellung und Montage
an dem in der Kolbenringnut angeordneten Kolbenring einen gewissen
Aufwand erfordert. Aus der
US-A-3
787 059 ist ein Kolbenring bekannt, der mit einem im Press sitz
gehaltenen Befestigungselement in der Kolbenringnut eines Kolbens
gehalten ist. Auch hierbei sind Herstellung und Montage des Befestigungselements
vergleichsweise aufwändig und dementsprechend kostenintensiv.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen
Kolbenring derart weiterzubilden, dass er mit möglichst
geringem Aufwand in der Kolbenringnut eines Kolbens angeordnet und
befestigt werden kann.
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Die
Lösung besteht in einem Kolbenring mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 Der erfindungsgemäße Kolbenring
zeichnet sich dadurch aus, dass der Kolbenring im Bereich jedes
Stoßendes jeweils eine quer zum Steg verlaufende Aufbiegung aufweist,
der mindestens eine Durchgangsöffnung zugeordnet ist. Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Kolben für einen
Verbrennungsmotor, bei dem in mindestens einer Kolbenringnut ein erfindungsgemäßer
Kolbenring aufgenommen und mittels eines Befestigungselements gehalten
ist, das in den Durchgangsöffnungen aufgenommen und im Bereich
der Aufbiegungen fixiert ist.
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Der
erfindungsgemäße Kerngedanke besteht darin, im
Bereich der Stoßenden Aufbiegungen mit zugeordneten Durchgangsöffnungen
vorzusehen und zur Befestigung des Kolbenrings in der Kolbenringnut
eines Kolbens ein Befestigungselement durch die Durchgangsöffnungen
hindurch zu führen und im Bereich der Aufbiegungen zu fixieren.
Dies erlaubt eine schnelle und einfache Befestigung des erfindungsgemäßen
Kolbenrings in der Kolbenringnut. Der Verzicht auf eine Feder führt
ferner zu einer deutlichen Verringerung des Gewichts des erfindungsgemäßen
Kolbens. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Kolbenrings
erlaubt zudem eine Vielzahl von Variationen hinsichtlich der Ausgestaltung
der Aufbiegungen sowie der Form und der Zuordnung der Durchgangsöffnungen.
Dies erlaubt eine optimale Anpassung des erfindungsgemäßen
Kolbenrings an unterschiedliche Kolbentypen. Der erfindungsgemäße
Kolbenring ist zudem durch an sich bekannte Umformverfahren besonders
einfach und kostengünstig herstellbar.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
mindestens eine Durchgangsöffnung kann abhängig
von den Erfordernissen im Einzelfall eine beliebige, frei wählbare
Form haben. Sie kann bspw. als Durchgangsbohrung, Schlitz oder Aussparung
ausgebildet sein.
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Die
im Bereich der Stoßenden vorgesehenen Aufbiegungen können
in einer beispielhaften Ausführungsform derart ausgebildet
sein, dass jedes Stoßende radial nach außen abgewinkelt
ist und im radial nach außen ragenden Bereich mindestens eine
Durchgangsöffnung aufweist. Diese Ausgestaltung ist besonders
einfach und kostengünstig herstellbar.
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Die
Aufbiegungen können in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
derart ausgebildet sein, dass im Bereich jedes Stoßendes
eine quer zum Steg verlaufende Aufwölbung vorgesehen ist, unter
der eine Durchgangsöffnung hindurch läuft. Auch
diese Ausführungsform ist insbesondere bei den typischen „U-Flex-Kolbenringen"
sehr einfach und kostengünstig herstellbar.
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Die
Aufbiegungen können schließlich in einer anderen
denkbaren Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass
im Bereich jedes Stoßendes eine quer zum Steg verlaufende
Aufwölbung vorgesehen ist und jeder Aufwölbung
zwei Durchgangsöffnungen zugeordnet sind. Diese Zuordnung
kann bspw. dadurch vorgenommen werden, dass die Aufwölbungen
zwei radial nach außen ragende, mit einer Brücke
verbundene Schenkel aufweist und die Durchgangsöffnungen
in den Schenkeln angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform
lässt sich das Befestigungselement, das zur Befestigung
des erfindungsgemäßen Kolbenrings in der Kolbenringnut
dient, besonders sicher und zuverlässig fixieren.
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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.
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Die
Mantelflächen der Abschnitte können bspw. gerade
oder bogenförmig gestanzt ausgebildet sein. In letzterem
Fall erübrigt sich die Gestaltung der Kontur der Mantelfläche
durch Läppen oder Schleifen, wodurch ein im Stand der Technik
bisher notwendiger Arbeitsschritt zur Anpassung der Kontur der Mantelfläche
an die Rundung der Zylinderlauffläche wesentlich reduziert
wird oder sogar ganz wegfällt. Falls eine Oberflächenfeinbearbeitung
gewünscht ist, könnte ein derartiger Arbeitsgang
mit deutlich reduziertem Aufwand beibehalten werden. Ferner wird der
Einlaufprozess deutlich verkürzt. Außerdem sorgt der
optimierte tribologische Kontakt für einen sicheren, weniger
störanfälligen Motorbetrieb. Die Bogenform der
Mantelfläche kann um bis zu ±20% von der Bogenform
der Zylinderlauffläche abweichen.
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Ferner
kann die Mantelfläche auch im Querschnitt abgeschrägt
gestanzt ausgebildet sein. Dies wirkt sich positiv auf das Einlaufverhalten
des erfindungsgemäßen Kolbenrings aus, so dass
die Einlaufzeit während des Betriebs des Verbrennungsmotors
verkürzt und der Ölverbrauch in der Einlaufphase des
Verbrennungsmotors verringert wird. Zusätzlich können
in einem Fertigbearbeitungsschritt die im Querschnitt abgeschrägt
ausgebildeten Mantelflächen teilweise abgeflacht werden.
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Als
Ausgangsmaterial für die Herstellung des erfindungsgemäßen
Kolbenrings kann insbesondere ein Stahlfederband verwendet werden.
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Der
erfindungsgemäße Kolbenring wird insbesondere
als Ölabstreifring verwendet.
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Ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im
Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen
Darstellung:
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1 eine
Abwicklung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Kolbenrings mit teilweise aufgebogenen Abschnitten, wobei die Stoßenden
nicht dargestellt sind;
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2 eine
Draufsicht auf den fertig gebogenen und mit einem Befestigungselement
versehenen Kolbenring aus 1 mit sichtbaren
Stoßenden;
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3 eine
Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Aufbiegungen im Bereich
der Stoßenden des Kolbenrings aus 1 teilweise
im Schnitt;
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4 eine
Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der Aufbiegungen im Bereich
der Stoßenden eines Kolbenrings aus 1 in einer
Draufsicht;
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5 einen
Schnitt entlang der Linien V-V in 1 bzw. 4;
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6 eine
Darstellung einer dritten Ausgestaltung der Aufbiegungen im Bereich
der Stoßenden des Kolbenrings aus 1 mit eingesetztem
Befestigungselement im Schnitt;
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7 eine
vergrößerte Darstellung einer abgerundeten Ecke
einer Aussparung im Steg des Kolbenrings aus 1.
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1 zeigt
den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Kolbenrings 10. 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 rechteckförmig 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 weisen
Mantelflächen 14 auf, die bspw. gerade oder, wie
dargestellt, bogenförmig ausgebildet sein können.
Die Abschnitte 13 sind 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 14 stellen
somit die tribologischen Kontaktflächen zu einer dem Kolbenring 10 zugeordneten
Zylinderlauffläche 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.
Die Mantelflächen können auch im Querschnitt abgeschrägt
ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Der
erfindungsgemäße Kolbenring 10 wird aus
einem Metallfederband, vorzugsweise einem Stahlfederband, ausgestanzt,
wobei die Mantelflächen 14 ggf. bereits ihre bogenförmige
bzw. abgeschrägte Kontur erhalten. 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
Mantelflächen 14 können zusätzlich
mit einer tribologischen Schicht versehen und/oder einer Oberflächenfeinbearbeitung
unterzogen werden.
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2 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 15 auf
der gegenüber liegenden Seite des Stegs 11 gegenüberliegt.
Die Lücken 15 werden dabei durch zwei auf derselben
Seite des Stegs 11 einander benachbarten Abschnitte 13 gebildet.
Die nun dargestellten Stoßenden 16 des Kolbenrings 10 bilden
in an sich bekannter Weise einen Ringstoß 17.
Zur Montage des Kolbenrings 10 in einer Kolbenringnut eines
Kolbens (nicht dargestellt) ist ein Befestigungselement 20 vorgesehen,
das den Ringstoß 17 überbrückend
im Bereich der Stoßenden 16 des Kolbenrings 10 fixiert
ist.
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Zur
Fixierung des Befestigungselements 20 können im
Bereich der Stoßenden 16 unterschiedlich ausgestaltete
erfindungsgemäßen Aufbiegungen vorgesehen sein,
denen mindestens eine Durchgangsöffnung zugeordnet ist. 3 zeigt
eine erste Ausgestaltung erfindungsgemäßer Aufbiegungen, bei
der jede Stoßende 16 radial nach außen
abgewinkelt ist, im Ausführungsbeispiel etwa in einem Winkel
von 90° gegenüber dem Steg. Im radial nach außen
ragenden Bereich jedes Stoßendes 16 ist eine Durchgangsöffnung 22 in
Form einer Durchgangsbohrung vorgesehen. Zur Befestigung des in
der Kolbenringnut eines Kolbens eingesetzten Kolbenrings 10 wird
ein Befestigungselement 20, bspw. in Form eines Drahtes,
eines Bandes oder eines Seiles, durch die Durchgangsbohrungen 22 geführt
und bspw. durch Aufbiegen der freien Enden am nach außen
ragenden Bereich jedes Stoßendes 16 fixiert (nicht
dargestellt).
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Die 4 und 5 zeigen
eine zweite Ausgestaltung erfindungsgemäßer Aufbiegungen.
Im Bereich der Stoßenden 16 sind zwei parallel
zueinander verlaufende und sich quer zum Steg 11 erstreckende schlitzförmige Öffnungen 23 vorgesehen.
Der dadurch gebildete, von den Öffnungen begrenzte Stegabschnitt
ist zu einer radial nach außen gerichteten und quer zum
Steg verlaufenden Aufwölbung 24 umgeformt. Eine
Durchgangsöffnung 25 läuft unter der Aufwölbung 24 hindurch.
Eine weitere Variante einer Aufwölbung 24 ist
aus der Zusammenschau der 1 und 5 zu
entnehmen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass auf das Einbringen
schlitzförmiger Öffnungen verzichtet wird und
stattdessen ein durch die Aussparungen 12 begrenzter Stegabschnitt
im Bereich eines Stoßendes 16 zu einer Aufwölbung 24 umgeformt
wird, unter der ebenfalls eine Durchgangsöffnung 25 hindurch
verläuft. Zur Befestigung des Kolbenrings 10 in
der Kolbenringnut eines Kolbens wird ein Befestigungselement 20,
bspw. in Form eines Drahtes, eines Bandes oder eines Seiles, durch
die beiden an den Stoßenden 16 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 25 geführt
und bspw. durch Aufbiegen der freien Enden am radial nach außen
ragenden Bereich jeder Aufwölbung 24 fixiert (nicht
dargestellt).
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6 zeigt
eine dritte Ausgestaltung erfindungsgemäßer Aufbiegungen.
Bei dieser Ausgestaltung sind im Bereich der Stoßenden 16 quer
zum Steg 11 verlaufende Erhebungen 26 vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel weisen die Erhebung 26 zwei durch
eine Brücke 27 verbundene Schenkel 28 auf. Je
zwei Durchgangsöffnungen 29 sind in den Schenkeln 28 angeordnet,
wobei im Ausführungsbeispiel hierfür die Aussparungen 12 gemäß 1 genutzt werden.
Es können aber auch separate Durchgangsöffnungen 29 angebracht
werden. 6 zeigt ferner ein Befestigungs element 20 zur
Befestigung des Kolbenrings 10 in der Kolbenringnut eines
Kolbens, bspw. in Form eines Drahtes, eines Bandes oder eines Seiles.
Das Befestigungselement 20 ist durch die Durchgangsöffnungen 29 geführt
und bspw. durch Aufbiegen seiner freien Enden im Bereich der Brücke 27 jeder
Erhebung 26 fixiert.
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7 zeigt
eine bevorzugte Ausgestaltung der Ecken der im Steg 11 ausgebildeten
Aussparungen 12 gemäß 1.
Die Aussparungen 12 sind mit abgerundeten Ecken 18 versehen,
um die während des Motorbetriebs auftretenden Belastungen
zu reduzieren und Rissbildungen 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 wirkenden Kräfte gleichmäßiger
verteilt und abgeleitet, als dies bei Aussparungen mit scharfen
Ecken oder einfachem Radius der Fall wäre, so dass Rissbildungen
im Steg 11 oder Plastifizierungen vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1369626
A2 [0003]
- - US 3787059 A [0003]