DE102010046552A1 - Piston ring for combustion engine, has radial outer running surface whose pressure-intensive region is provided with recesses along circumferential direction, where hard-wearing material is introduced into recesses - Google Patents

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Abstract

The ring (1) has a combustion chamber facing to an upper ring edge (4), where the ring is made of cast steel or nodular cast iron. An oil space is turned to a lower flank surface (5) and a shock region (6). A pressure-intensive region of a radial outer running surface (2) is provided with hemispherical shaped recesses (7) along circumferential direction, where a hard-wearing material (8) is introduced into the recesses. The hard-wearing material is formed by a physical vapour deposition (PVD) layer based on chromium nitride with oxygen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, mit einer radial äußeren Lauffläche, einer einem Brennraum zugewandten oberen und einer einem Ölraum zugewandten unteren Flankenfläche, einer inneren Umfangsfläche sowie einem Stoßbereich.The invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, with a radially outer running surface, a combustion chamber facing upper and an oil chamber facing lower flank surface, an inner peripheral surface and a joint area.

Kolbenringe werden vielfach mit Reibpartnern, beispielsweise in Form von Zylinderlaufbuchsen, in Wirkverbindung gebracht. Insbesondere bei harten und rauen Oberflächenbeschichtungen der Kolbenringe stellt sich ein erhöhter Verschleiß der Gegenlauffläche des Reibpartners ein, so dass hier nur eine geringe Standzeit gegeben ist.Piston rings are frequently brought into operative connection with friction partners, for example in the form of cylinder liners. Especially with hard and rough surface coatings of the piston rings, there is an increased wear of the mating surface of the friction partner, so that only a short service life is given here.

Dem könnte dadurch entgegengewirkt werden, dass die Rauheit der Laufflächenbeschichtung der Kolbenrings, beispielsweise durch Läppen, Polieren oder dergleichen, reduziert wird, oder aber eine Optimierung der Werkstoffpaarungen der Zylinderlaufbuchse und der Laufflächenbeschichtung herbeigeführt wird. Beide Maßnahmen sind kostenintensiv und bieten somit keinen Ansatz, um die Standzeit der Zylinderlaufbuchse zu erhöhen.This could be counteracted by the fact that the roughness of the tread coating of the piston ring, for example by lapping, polishing or the like, is reduced, or an optimization of the material pairings of the cylinder liner and the tread coating is brought about. Both measures are costly and thus offer no approach to increase the service life of the cylinder liner.

Die DE 2619485 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Kolbenringen, bei welchem in die Lauffläche eines Kolbenringpakets umlaufende Nuten eingebracht werden, in welchen durch elektrolytisches Niederschlagen eine Chromschicht eingebracht wird, die im Anschluss an das Auftragen bis auf den Grundwerkstoff wieder abgetragen wird. Demzufolge ist lediglich die jeweils umlaufende Nut eines einzelnen Kolbenrings mit einer verschleißfesten Schicht versehen, während die übrigen Flächenbereiche dem Grundwerkstoff des Kolbenrings entsprechen.The DE 2619485 discloses a method for producing piston rings, wherein in the running surface of a piston ring package circumferential grooves are introduced, in which by electrolytic deposition a chromium layer is introduced, which is removed again after application to the base material. Accordingly, only the respective circumferential groove of a single piston ring is provided with a wear-resistant layer, while the remaining surface areas correspond to the base material of the piston ring.

Der DD 214657 ist ein Kolbenring für eine Brennkraftmaschine zu entnehmen, wobei der Kolbenring aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung besteht und die Lauffläche mit Ausnahme der Randzonen mit Hilfe eines Lasers oder Elektronenstrahls eine Wärmebehandlung und Gefügeveränderung erfahren hat. Die Lauffläche des Kolbenrings weist eine strukturierte Oberflächenhärtung in Form der Anordnung von mehreren, sich in Achsrichtung des zugehörigen Kolbenrings abwechselnden, gehärteten und ungehärteten Ringzonen auf.Of the DD 214657 is to remove a piston ring for an internal combustion engine, wherein the piston ring consists of an iron-carbon alloy and the tread except for the edge zones by means of a laser or electron beam has undergone a heat treatment and microstructural change. The running surface of the piston ring has a structured surface hardening in the form of the arrangement of a plurality of alternating hardened and unhardened annular zones in the axial direction of the associated piston ring.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lauffläche eines Kolbenrings dahingehend weiterzubilden, dass ein erhöhter Verschleiß einer Gegenlauffläche, insbesondere einer Zylinderlaufbuchse, minimiert wird, so dass eine höhere Standzeit der miteinander in Wirkverbindung stehenden Reibpartner herbeiführbar ist.The invention has the object of developing the running surface of a piston ring to the effect that increased wear of a mating surface, in particular a cylinder liner, is minimized, so that a longer service life of the frictionally engaged with each other friction partners can be brought.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Lauffläche, in Umfangsrichtung gesehen, an vorgebbaren Stellen mit lokalen Ausnehmungen versehen ist, in welchen ein verschleißfester Werkstoff eingebracht ist.This object is achieved in that the tread, seen in the circumferential direction, is provided at predetermined locations with local recesses in which a wear-resistant material is introduced.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the subject invention can be found in the dependent claims.

Mit dem Erfindungsgegenstand werden somit nur definierte lokale Bereiche der umlaufenden Lauffläche des Kolbenrings beschichtet. Abweichend zum Stand der Technik werden somit nicht mehr, über den Umfang gesehen, umlaufende verschleißfeste Bereiche, sondern lediglich partielle Stützstellen gebildet, an welchen der Kolbenring mit dem jeweiligen Reibpartner, beispielsweise einer Zylinderlaufbuchse, in Wirkverbindung steht. Durch diese Maßnahme tritt lediglich an den definierten Stellen der Lauffläche ein möglicherweise erhöhter Verschleiß des Reibpartners auf und die Standzeit der Reibpartner wird erhöht.Thus, only defined local regions of the circumferential running surface of the piston ring are coated with the subject invention. Notwithstanding the state of the art, peripheral, wear-resistant regions are therefore no longer formed, viewed over the circumference, but only partial support points on which the piston ring is in operative connection with the respective friction partner, for example a cylinder liner. By this measure occurs only at the defined points of the tread a possibly increased wear of the friction partner and the life of the friction partners is increased.

Von besonderem Vorteil ist, wenn die mit der verschleißfesten Schicht versehenen Ausnehmungen nur in ausgewählten Ringbereichen, beispielsweise druckintensiven Ringbereichen, eingebracht werden.It is particularly advantageous if the recesses provided with the wear-resistant layer are introduced only in selected annular regions, for example pressure-intensive annular regions.

Die geometrische Form der jeweiligen Ausnehmung hängt hierbei vom jeweiligen Verfahren zur Einbringung derselben in die Lauffläche ab. Denkbar sind Bearbeitungen der Lauffläche mit einem Schlitzfräser, RABO oder Laser. An verschleißfesten Werkstoffen können die im Stand der Technik bekannten Werkstoffe, wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder dergleichen, eingesetzt werden.The geometric shape of the respective recess depends on the respective method for introducing the same into the running surface. Machining of the tread with a slot cutter, RABO or laser is conceivable. On wear-resistant materials known in the art materials such as chromium, molybdenum or the like can be used.

Die Art der Einbringung, respektive Aufbringung, der verschleißfesten Schicht in die jeweilige Ausnehmung kann sich ebenfalls am Stand der Technik orientieren.The type of introduction, respectively application, the wear-resistant layer in the respective recess may also be based on the prior art.

Da erfindungsgemäß lediglich die mit Ausnehmungen versehenen Abschnitte der Lauffläche des Kolbenrings mit einer verschleißfesten Schicht versehen sein sollen, werden gegebenenfalls vorhandene Materialüberstände des verschleißfesten Werkstoffs bis auf den Grundwerkstoff der Lauffläche abgetragen.Since according to the invention only the recessed portions of the tread of the piston ring should be provided with a wear-resistant layer, any existing material projections of the wear-resistant material are removed down to the base material of the tread.

In Abhängigkeit vom gewählten Verfahren zur Einbringung der Ausnehmungen in die Lauffläche können radiale Tiefen im Bereich zwischen > 0 und 1 mm erzeugt werden. Je nach ausgewählter Beschichtung können Materialüberstände der verschleißfesten Schicht, beispielsweise durch Läppen, Bürsten oder Schleifen abgetragen werden.Depending on the chosen method for introducing the recesses into the running surface, radial depths in the range between> 0 and 1 mm can be generated. Depending on the selected coating, material overhangs of the wear-resistant layer can be removed, for example by lapping, brushing or grinding.

Der jeweilige Kolbenring kann aus unterschiedlichen Grundwerkstoffen bestehen. So können beispielsweise Stahlwerkstoffe mit der Werkstoffnummer 1.4112 (aus Stahldraht gewickelter Kolbenring) eingesetzt werden. Ebenfalls denkbar sind Stahlwerkstoffe mit der Werkstoffnummer 1.4109. The respective piston ring may consist of different base materials. For example, steel materials with the material number 1.4112 (piston ring wound from steel wire) can be used. Also conceivable are steel materials with the material number 1.4109.

Alternativ sind auch Kolbenringe aus Stahlguss oder Kolbenringe aus Gusseisen mit Kugelgraphit denkbar.Alternatively, piston rings made of cast steel or piston rings made of spheroidal graphite cast iron are conceivable.

Vorteilhafte verschleißfeste Werkstoffe werden gebildet aus PVD-Schichten, insbesondere auf Basis von CrN mit Sauerstoff.Advantageous wear-resistant materials are formed from PVD layers, in particular based on CrN with oxygen.

Alternativ könne auch PVD-Viellagenschichten aus CrN und Aluminiumnitrid-Einzellagen eingesetzt werden.Alternatively, PVD multilayers of CrN and aluminum nitride single layers can be used.

Als geometrische Formen für die Ausnehmungen bieten sich unter anderem Halbkugeln mit Durchmessern von 0,4 bis 0,8 mm an.Hemispheres with diameters of 0.4 to 0.8 mm are suitable as geometric shapes for the recesses.

Alternativ sind auch Schlitze vorgebbarer Breite und Länge denkbar.Alternatively, slots of specifiable width and length are conceivable.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben.The subject invention is illustrated by means of an embodiment in the drawing and will be described as follows.

Die einzige Figur zeigt einen Kolbenring 1, einerseits in der Draufsicht und andererseits in der Seitenansicht. Der Kolbenring 1 beinhaltet eine radial äußere Lauffläche 2, eine radial innere Umfangsfläche 3, eine, einem nicht weiter dargestellten Brennraum zugewandte obere Ringflanke 4, eine, einem nicht weiter dargestellten Ölraum zugewandte untere Ringflanke 5 sowie einen Stoßbereich 6. Der Kolbenring 1 besteht aus einem Grundwerkstoff, beispielsweise einem Gusseisen mit Kugelgraphit oder Stahl. Erfindungsgemäß sind in die Lauffläche 2 lokale Ausnehmungen 7 eingebracht, die, Stützstellen bildend, mit einer verschleißfesten Beschichtung 8 ausgefüllt sind. Als verschleißfeste Schicht 8 soll in diesem Beispiel eine PVD-Schicht auf Basis von CrN mit Sauerstoff angenommen werden. Wie dargestellt, sollen in diesem Beispiel die Ausnehmungen 7 etwa halbkugelförmig sein und eine radiale Tiefe von 0,03 mm haben, wobei dies nur beispielhaft ist.The single figure shows a piston ring 1 on the one hand in the plan view and on the other hand in the side view. The piston ring 1 includes a radially outer tread 2 , a radially inner peripheral surface 3 , a, a combustion chamber not shown facing upper annular edge 4 , a, a, not shown, oil space facing lower annular edge 5 as well as a joint area 6 , The piston ring 1 consists of a base material, such as a ductile iron or steel. According to the invention are in the tread 2 local recesses 7 introduced, forming the support points, with a wear-resistant coating 8th are filled. As a wear-resistant layer 8th In this example, a PVD layer based on CrN with oxygen should be assumed. As shown, in this example, the recesses 7 be approximately hemispherical and have a radial depth of 0.03 mm, which is only an example.

In diesem Beispiel sind die Ausnehmungen 7 über die gesamte Umfangsfläche des Kolbenrings 1 eingebracht. Je nach Reibpartner, beispielsweise einer ebenfalls nicht dargestellten Zylinderlaufbuchse, kann es sinnvoll sein, nur ausgewählte Ringbereiche, beispielsweise in der Nähe des Stoßes 6, mit Ausnehmungen 7 zu versehen, die dann mit einer verschleißfesten Schicht 8 versehen sind. Von besonderem Vorteil ist, druckintensive (Radialdruck) Ringbereiche gezielt mit Ausnehmungen 7 und entsprechenden Beschichtungen 8 zu versehen, um dem unerwünschten Effekt eines erhöhten Verschleißes des Reibpartners zu begegnen. Ein so ausgebildeter Kolbenring 1 trägt lediglich an den mit einer Beschichtung 8 versehenen Bereichen, während die übrigen Bereiche der Lauffläche 2 dem jeweiligen Grundwerkstoff des Kolbenrings 1 entsprechen.In this example, the recesses are 7 over the entire circumferential surface of the piston ring 1 brought in. Depending on the friction partner, for example, a cylinder liner, also not shown, it may be useful only selected ring areas, for example in the vicinity of the shock 6 , with recesses 7 to be provided, which then with a wear-resistant layer 8th are provided. Of particular advantage is pressure-intensive (radial pressure) annular areas targeted with recesses 7 and corresponding coatings 8th provided to counter the undesirable effect of increased wear of the friction partner. A trained piston ring 1 Only contributes to the with a coating 8th provided areas, while the remaining areas of the tread 2 the respective base material of the piston ring 1 correspond.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 2619485 [0004] DE 2619485 [0004]
  • DD 214657 [0005] DD 214657 [0005]

Claims (14)

Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, mit einer radial äußeren Lauffläche (2), einer einem Brennraum zugewandten oberen (4) und einer einem Ölraum zugewandten unteren Flankenfläche (5), einer inneren Umfangsfläche (3) sowie einem Stoßbereich (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (2), in Umfangsrichtung gesehen, an vorgebbaren Stellen mit lokalen Ausnehmungen (7) versehen ist, in welchen ein verschleißfester Werkstoff (8) eingebracht ist.Piston ring for an internal combustion engine, with a radially outer running surface ( 2 ), a combustion chamber facing upper ( 4 ) and an oil chamber facing lower flank surface ( 5 ), an inner peripheral surface ( 3 ) as well as a joint area ( 6 ), characterized in that the tread ( 2 ), seen in the circumferential direction, at predetermined locations with local recesses ( 7 ), in which a wear-resistant material ( 8th ) is introduced. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass druckintensive Bereiche der Lauffläche (2) mit Ausnehmungen (7) versehen sind.Piston ring according to claim 1, characterized in that pressure-intensive areas of the tread ( 2 ) with recesses ( 7 ) are provided. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7), über die axiale Höhe der Lauffläche (2) gesehen, etwa auf gleicher axialer Höhe eingebracht sind.Piston ring according to claim 1 or 2, characterized in that the recesses ( 7 ), about the axial height of the tread ( 2 ), are introduced approximately at the same axial height. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht mit dem verschleißfesten Werkstoff (8) versehenen Bereiche der Lauffläche (2) beschichtungsfrei ausgebildet sind.Piston ring according to one of claims 1 to 3, characterized in that not with the wear-resistant material ( 8th ) provided areas of the tread ( 2 ) are formed coating-free. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vorhandene Materialüberstände des verschleißfesten Werkstoffs (8) bis auf den Grundwerkstoff der Lauffläche (2) abtragbar sind.Piston ring according to one of claims 1 to 4, characterized in that existing material overhangs of the wear-resistant material ( 8th ) except for the base material of the tread ( 2 ) are ablatable. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Tiefe der Ausnehmungen (7) im Bereich zwischen > 0 und 1 mm beträgt.Piston ring according to one of claims 1 to 5, characterized in that the radial depth of the recesses ( 7 ) in the range between> 0 and 1 mm. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gebildet durch einen Kompressionskolbenring, insbesondere einsetzbar in der ersten Nut eines Kolbens der Brennkraftmaschine.Piston ring according to one of claims 1 to 6, formed by a compression piston ring, in particular used in the first groove of a piston of the internal combustion engine. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff des Kolbenrings durch Stahl gebildet ist.Piston ring according to one of claims 1 to 7, characterized in that the base material of the piston ring is formed by steel. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff des Kolbenrings durch Stahlguss gebildet ist.Piston ring according to one of claims 1 to 7, characterized in that the base material of the piston ring is formed by cast steel. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff des Kolbenrings durch Gusseisen mit Kugelgraphit gebildet ist.Piston ring according to one of claims 1 to 7, characterized in that the base material of the piston ring is formed by spheroidal graphite cast iron. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der verschleißfeste Werkstoff (8) durch eine PVD-Schicht auf Basis von CrN mit Sauerstoff gebildet ist.Piston ring according to one of claims 1 to 10, characterized in that the wear-resistant material ( 8th ) is formed by a PVD layer based on CrN with oxygen. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der verschleißfeste Werkstoff (8) durch eine PVD-Viellagenschicht aus CrN und AlN-Einzellagen gebildet ist.Piston ring according to one of claims 1 to 10, characterized in that the wear-resistant material ( 8th ) is formed by a PVD multilayer of CrN and AlN single layers. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form der Ausnehmungen (7) etwa halbkugelförmig ausgebildet ist.Piston ring according to one of claims 1 to 12, characterized in that the geometric shape of the recesses ( 7 ) is formed approximately hemispherical. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen durch Schlitze vorgebbarer Breite und Länge gebildet sind.Piston ring according to one of claims 1 to 12, characterized in that the recesses are formed by slots of predeterminable width and length.
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