DE102012002447A1

DE102012002447A1 - Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102012002447A1
Application number: DE102012002447A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Issler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-05-21
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2012-11-22
Also published as: BR112014019580A2; US20150091255A1; WO2013117174A1; BR112014019580A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring (10) für Kolben von Verbrennungsmotoren, mit einer mit einem Beschichtungsmittel (19) beschichteten Ringlauffläche (13), einem Ringrücken (11) sowie zwei durch einen Spalt (15) beabstandeten Ringstoßenden (14), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich mindestens eines der Ringstoßenden (14) in der Ringlauffläche (13) eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut (16, 316) vorgesehen ist, welche bündig zur beschichteten Ringlauffläche (13) mit dem Beschichtungsmittel (19) ausgefüllt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbenrings (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring für Kolben von Verbrennungsmotoren, mit einer mit einem Beschichtungsmittel beschichteten Ringlauffläche, einem Ringrücken sowie zwei durch einen Spalt beabstandeten Ringstoßenden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbenrings.
Die Ringlauffläche eines beschichteten Kolbenrings ist während des Motorbetriebs insbesondere im Bereich seiner Ringstoßenden einem erhöhten Verschleiß unterworfen. Die Ursache dafür ist die verstärkte Anlage der Ringstoßenden an die Zylinderwand. Eine bekannte Maßnahme gegen diesen Verschleiß besteht darin, die Dicke der Beschichtung zumindest im Bereich der Ringstoßenden zu erhöhen, was jedoch zu erhöhten Fertigungs- und Werkstoffkosten führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolbenring zu weiterzuentwickeln, dass der Verschleiß im Bereich der Ringstoßenden auf möglichst einfache Weise zumindest reduziert wird.
Die Lösung besteht darin, dass im Bereich mindestens eines der Ringstoßenden in der Ringlauffläche eine in Umfangsrichtung verkaufende Nut vorgesehen ist, welche bündig zur beschichteten Ringlauffläche mit dem Beschichtungsmittel ausgefüllt ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbenrings, bei dem ein unbeschichteter Kolbenringrohling im Bereich mindestens eines der Ringstoßenden in der Ringlauffläche mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut versehen wird und dass anschließend die Ringlauffläche mit einem Beschichtungsmittel beschichtet, derart, dass die Nut bündig zur beschichteten Ringlauffläche mit dem Beschichtungsmittel ausgefüllt wird, und anschließend fertigbearbeitet wird.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der unbeschichtete Kolbenring bzw. Kolbenringrohling im Bereich der Ringstoßenden entlang seiner Ringlauffläche mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut versehen wird. Nach der anschließenden Beschichtung der Ringlauffläche mit einem Beschichtungsmittel ist diese Nut vollständig mit dem Beschichtungsmittel ausgefüllt. In der Regel findet noch eine Endbearbeitung der beschichteten Ringlauffläche statt. Dadurch wird die Schichtdicke der Beschichtung reduziert, jedoch bleibt im Bereich der Nut eine größere Schichtdicke erhalten als im Bereich der verbleibenden Ringlauffläche. Als verschleißbeständige Schicht bleibt das in der Nut vorhandene Beschichtungsmittel als Reserve erhalten, bis hier ein Kontakt zur Zylinderlauffläche entsteht.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Länge der Nut beträgt zweckmäßigerweise das zwei- bis zehnfache der axialen Höhe der Ringlauffläche, um die besonders belasteten Bereiche der Ringlauffläche in der Nähe der Ringstoßenden zuverlässig zu entlasten. Aus demselben Grund sollte die Tiefe der Nut 10 μm bis 30 μm und/oder die Breite der Nut 10% bis 60% der axialen Höhe der Ringlauffläche betragen.
Je nach den Anforderungen des Einzelfalls kann die Nut über ihre gesamte Länge eine konstante Tiefe aufweisen, sie kann aber auch über ihre gesamte Länge ausgehend vom Ringstoßende eine stetig abnehmende Tiefe aufweisen. In vergleichbarer Weise kann die Nut über ihre gesamte Länge eine konstante Breite oder ausgehend vom Ringstoßende eine stetig abnehmende Breite aufweisen.
Die Dicke der Beschichtung der Ringlauffläche beträgt typischerweise 5 μm bis 30 μm, vorzugsweise 20 μm. Die Beschichtung ist zweckmäßigerweise als PVD-Beschichtung ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rohlings für einen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Draufsicht, teilweise im Schnitt;
2 eine perspektivische Detailansicht des Rohlings gemäß 1 im Bereich eines Ringstoßendes;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rohlings für einen erfindungsgemäßen Kolbenring in einer Draufsicht;
4 eine perspektivische Detailansicht des Rohlings gemäß 5 im Bereich eines Ringstoßendes;
5 einen Längsschnitt durch die Nut eines erfindungsgemäßen Kolbenrings nach dem Beschichten und Fertigbearbeiten der Ringlauffläche;
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rohlings 10' für einen erfindungsgemäßen Kolbenring 10. Der Rohling 10' weist in an sich bekannter Weise einen mit einer Fase 11a versehenen Ringrücken 11, zwei Ringflanken 12 und eine Ringlauffläche 13 auf. Der Rohling 10 weist ferner zwei freie Ringstoßenden 14 auf, die einen Spalt 15 oder Ringstoß begrenzen.
Der Rohling 10' weist erfindungsgemäß in seiner Ringlauffläche 13 im Bereich der Ringstoßenden 14 je eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 16 auf. Die Abmessungen der Nut 16 hängen von den Abmessungen des Rohlings 10' bzw. des fertigen Kolbenrings 10 und von den Anforderungen an den Kolbenring 10 im Motorbetrieb ab und stehen im Ermessen des Fachmanns. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 weist jede Nut 16 eine konstante Tiefe und eine konstante Breite auf. Die Länge der Nut 16 beträgt in der Regel das zwei- bis zehnfache der axialen Höhe der Ringlauffläche 13. Die Tiefe der Nut 16 beträgt in der Regel 10 μm bis 30 μm. Die Breite der Nut 16 beträgt in der Regel 10% bis 60% der axialen Höhe der Ringlauffläche 13.
Der erfindungsgemäße Kolbenring 10 unterscheidet sich vom Rohling 10' dadurch, dass die Ringlauffläche 13 mit einem Beschichtungsmittel beschichtet und die Nut 16 mit dem Beschichtungsmittel vollständig, also bündig zur beschichteten Ringlauffläche ausgefüllt ist. Dieses Beschichtungsmittel ist aus Gründen der Klarheit in den 1 und 2 nicht dargestellt.
Die 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rohlings 310' für einen erfindungsgemäßen Kolbenring. Der Rohling 310' entspricht im Wesentlichen dem Rohling 10' gemäß den 1 und 2, so dass gleiche Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen wird.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Rohling 310' erfindungsgemäß in seiner Ringlauffläche 13 im Bereich der Ringstoßenden 14 je eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 316 aufweist, die ausgehend vom Ringstoßende 14 eine stetig abnehmende Tiefe und eine stetig abnehmende Breite aufweist. Selbstverständlich können auch nur die Tiefe oder nur die Breite der Nut 316 stetig abnehmend ausgebildet sein. Die Abmessungen der Nut 316 hängen von den Abmessungen des Rohlings 310' bzw. des fertigen Kolbenrings und von den Anforderungen an den Kolbenring im Motorbetrieb ab, wie es für das Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 beschrieben wurde. Die dort genannten Zahlenbereiche stellen den Spielraum für die Reduzierung der Tiefe bzw. Breite dar.
Der erfindungsgemäße Kolbenring unterscheidet sich vom Rohling 310' dadurch, dass die Ringlauffläche 13 mit einem Beschichtungsmittel beschichtet und die Nut 316 mit dem Beschichtungsmittel vollständig, d. h. bündig zur beschichteten Ringlauffläche, ausgefüllt ist. Dieses Beschichtungsmittel ist aus Gründen der Klarheit in den 3 und 4 nicht dargestellt.
5 zeigt einen Kolbenring 10, der aus einem Kolbenringrohling 10', 310' gemäß den 1, 2 bzw. 3, 4 erhältlich ist. Der Kolbenring 10 wurde entlang seiner Ringlauffläche 13 mit einem Beschichtungsmittel 19 beschichtet, bspw. mittels eines PVD-Verfahrens. Dadurch wurde die Nut 16, 316 mit dem Beschichtungsmittel 19 ausgefüllt. Anschließend wurde die beschichtete Ringlauffläche 13 in an sich bekannter Weise fertigbearbeitet. Die Dicke der Beschichtung 19 auf der Lauffläche 13 des fertig bearbeiteten Kolbenrings 10 betrug im Ausführungsbeispiel 20 μm. Im Ergebnis ist die Nut 16, 316 bündig zur beschichteten Ringlauffläche 13 mit dem Beschichtungsmittel 19 ausgefüllt, und die resultierende Beschichtung weist im Bereich der Nut 16, 316 eine größere Schichtdicke auf als im Bereich der verbleibenden Ringlauffläche 13.

Claims

Kolbenring (10) für Kolben von Verbrennungsmotoren, mit einer mit einem Beschichtungsmittel (19) beschichteten Ringlauffläche (13), einem Ringrücken (11) sowie zwei durch einen Spalt (15) beabstandeten Ringstoßenden (14), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich mindestens eines der Ringstoßenden (14) in der Ringlauffläche (13) eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut (16, 316) vorgesehen ist, welche bündig zur beschichteten Ringlauffläche (13) mit dem Beschichtungsmittel (19) ausgefüllt ist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des in der ausgefüllten Nut (16, 316) vorhandenen Beschichtungsmittels (19) gegenüber der Oberfläche der auf der Ringlauffläche (13) vorhandenen Beschichtungsmittels (19) zurückgesetzt ist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Nut (16, 316) das zwei- bis zehnfache der axialen Höhe der Ringlauffläche (13) beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut (16, 316) 10 μm bis 30 μm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (16) über ihre gesamte Länge eine konstante Tiefe aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (316) über ihre gesamte Länge ausgehend vom Ringstoßende (14) eine stetig abnehmende Tiefe aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Nut (16, 316) 10% bis 60% der axialen Höhe der Ringlauffläche (13) beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (16) über ihre gesamte Länge eine konstante Breite aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (316) über ihre gesamte Länge ausgehend vom Ringstoßende (14) eine stetig abnehmende Breite aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (19) auf der Ringlauffläche (13) 5 μm bis 30 μm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (19) als PVD-Beschichtung ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für Kolben von Verbrennungsmotoren, mit einer mit einem Beschichtungsmittel (19) beschichteten Ringlauffläche (13), einem Ringrücken (11) sowie zwei durch einen Spalt (15) beabstandeten Ringstoßenden (14), dadurch gekennzeichnet, dass ein unbeschichteter Kolbenringrohling (10', 110', 210', 310', 410', 510') im Bereich mindestens eines der Ringstoßenden (14) in der Ringlauffläche (13) mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (16, 316) versehen wird, dass anschließend die Ringlauffläche (13) mit einem Beschichtungsmittel (19) beschichtet wird, derart, dass die Nut (16, 316) bündig zur beschichteten Ringlauffläche (13) mit dem Beschichtungsmittel (19) ausgefüllt wird, und dass schließlich die beschichtete Ringlauffläche (13) fertig bearbeitet wird.