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Zusammengesetzter olbenring
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Beschreibunw Die Erfindung betrifft einen Kolbenring der im Patentanspruch
1 angegebenen Gattung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen gegen ein
Fluid (Flüssigkeit oder Gas) dichten Kolbenring zur Verwendung in einer hin- und
hergehenden mechanischen Einrichtung und vor allem auf einen solchen, der bei einem
Brennkraftmaschinekolben, der als Gas dichtungsring bei einem Stirling-Motor oder
der in einem Kompressor mit hohem-Verdichtungsverhältnis Anwendune findet.
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Die folgende Beschreibung ist auf einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine
abgestellt, da hierbei der Kolben ring harten und schwierigen Arbeitsbedingungen
unterworfen ist.
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In jüngerer Zeit besteht ein starkes Verlangen, Brennkraftmaschinen,
die energiesparend und mit äußerst serin ger Luftverschmutzung arbeiten, zu schaffen.
Um diesem
Verlangen und Bedarf gerecht zu werden, wurden verschiedene
Vorschläge gemacht, für welche jedoch eine Steigerung der Leistungsfähigkeit sowie
des Betriebsverhaltens der Kolbenringe als einer der wesentlichsten Faktoren anzusehen
ist. So ist es insbesondere von Vorteil, die Reibungskraft des Kolbenringes zu vermindern,
da die dem Kolbenring eigene Reibungskraft für einen Großteil der in einer Brennkraftmaschine
auftretenden Reibung verantwortlich ist. Um dieees Ziel zu erreichen, hat man der
axialen Erstreckung des Kolbenringes sowie dessen Dehnkraft Aufmerksamkeit zugewendet,
d.h., die axiale Erstreckung des Ringes sollte klein sein und seine radial auswärts
gerichtete Dehnkraft sollte vermindert werden Der Kolbenring muß jedoch seine grundsätzliche
Aufgabe in bezug auf Fluidabdichtung bzw.
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-abdichtfähigkeit, in bezug auf Steuerung des Schmierölhaushalts und
in bezug auf Abriebfestigkeit erfüllen.
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Was das betrifft, so wird es als schwierig angesehen, einen Kolbenring
derart auszubilden, daß er die Eigenschaft einer Reibungsverminderung aufweist,
dabei aber dennoch seine grundsätzliche Aufgabe erfüllt und eine hohe Leistungsfähigkeit
zeigt.
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Zur Erläuterng des der Erfindmg zugrunde liegenden Standes der Technik
wird auf <tie Z<ichn'ingen Bezug genommen, die in Fig. 1 bis 5 im Schnitt
verschiedene Bauarten von herkömmlichen Kolbenringen zeigen.
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Die typische Arbeitsweise eines herkömmlichen Kolbenringes wird anhand
der Fig.1 erläutert. Ein Kolbenring 1 ist innerhalb einer Ringnut 4 eines Kolbens
5 angeordnet und wird gleitend längs einer Innenumfangsfläche eines Zylinders 3
hin- und herbewegt. In diesem Fall kann die primäre Reibungskraft in radialer Richtung
des Kolbenringes durch die Kraft P3, die auf eine
Inniinumfangsfläche
13 des Kolbenringes 1 wirkt, durch die Kraft Pl, die auf eine Außenumfangsfläche
11 des Ringes wirkt, und durch die Kraft PE, die die Selbstdehnkraft des Kolbenringes
ist, zusammengefaßt werden. Die Druckverteilung, wenn eine Brennkammer auf hohem
Druck ist, ist in Fig. 1 dargestellt, und hierbei ist PE vernachlässigbar, da diese
Kraft sehr viel niedriger ist als Pl und P3. Für die Druckverteilung von P1 ergibt
sich ein maximaler Druck p7, das ist der Druck am oberen Kolbensteg 7, und ein minimaler
Druck p8, das ist der Druck am unteren Kolbenmantel 8. Die auf die Innenumfangsfläche
13 des Kolbenringes wirkende Druckverteilung hat einen gleichförmigen Druck p7,
der dem Druck p7 am oberen Kolbensteg nahezu gleich ist und über einen Freiraum
zwischen der Ringnut 4 sowie dem Kolbenring übertragen wird.
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Somit kann die längs einer radialen Richtung auf den olbenring aufgebrachte
Kraft durch die folgende Formel wiedergegeben werden: (P3 - Pl) = - (P7 2 p8) },
hl = (P7 - 2 . h1 worin hl die axiale Erstreckung oder die Höhe des Kolbenringes
ist. Diese Kraft erreicht ihren maximalen Werft, wenn der Kolben im Bereich seines
oberen Totpunktes anlangt, an welchem der Innendruck in der Brennkammer seinen höchsten
Wert hat. Damit gleitet der Kolbenring an der Innenoberfläche des Zylinders mit
einem extrem hohen Flächendruck, so daß der Verschleiß durch Reibung an der Innenoberfläche
des Zylinders im oberen Totpunktbereich des Kolbens beträchtlich erhöht wird.
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Ausgehend von der obigen Formel kann demzufolge die Reibungskraft
durch Vermindern der Höhe hl des Kolbenringes herabgesetzt werden. Jedoch hat ein
solcher Kolbenring mit einer geringen axialen Höhe keine ausreichende Wirkung in
bezug auf eine Ölfilmbildung. liegen des dünnen Ölfilms auf der Zylinderinnenfläche
ist das Ergebnis, daß der Vorschloiß durch Iteibung erhöht wird.
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Ferner ist es auf Grund der geringen höhe des Kolbenringes dann sehr
schwierig, einen solchen vom Stand-
punkt der mechanischen Festigkeit
und der Produktivität as Gußeisen zu fertigen. Auch wenn andererseits ein solcher
Ring aus Stahl hergestellt wird, so ist seine Schmierfähigkeit geringer als die
bei einem Gußeisenring, und ferner kann eine thermische Verformung herbeigeführt
werden, die die Selbstausdehnungseigenschaft des Kolbenringes beeinträchtigt, wodurch
die Abdichtfähigkeit verschlechtert wird.
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Es wurde ein anderer Vorschlag gemacht, wobei ein auf -die Innenoberfläche
des Kolbenringes wirkender Druck durch eine hierauf bezogene und dafür geeignete
Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, blockiert wird. Hierbei ist ein Sekundärring
2 auf einer oberen Fläche 12 des Kolbenringes 1 angeordnet, um den zwischen der
oberen Fläche 12 und der Ringnut 4 vorhandenen Spalt abzudichten.
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Eine solche Konstruktion ist in der japanischen Patent-Auslegeschrift
Nr. 44-66 47 (1969), in der Veröffentli chung zur japanischen Gebrauchsmusteranmeldung
Nr. 52-49 205 (1977) und in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 52-148
716 (log77) gezeigt. Mit einer derartigen Anordnung wird jedoch, wenn die Kolbenringnut
vollständig abgeschlossen ist, der Kolbenring einem Druck ausgesetzt, der allein
auf seine Außenoberfläche wirkt, was zum Ergebnis hat, daß der Ring radial einwärts
gepreßt wird, wodurch seine Abdichtfähigkeit verschlechtert wird.
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Weitere Konstruktionen bekannter Kolbenringe zeigen die Fig. 3 und
4, wobei ein Kolbenring 1 an seiner Innenumfangsfläche 13 einen abgestuften Bereich
10 hat und an diesem Bereich ein Sekundärring 2 vorgesehen ist. Bei dieser Konstruktion
wird der von der oberen Fläche 12 des Ringes 1 und der oberen Fläche 42 der Ringnut
4 begrenzte Freiraum durch den Sekundärring 2 abgedichtet und gleichzeitig ein Druck
auf die Innenumfangsfläche 13 des abgestuften Bereichs 10 ausgeübt Eine solche Anord-
nung
ist Gegenstand der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 49 47 522 (1974)
und der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 52-148 716 (1977).
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Bei einer solchen Anordnung muß jedoch die Anlage zwischen der oberen
Fläche 22 des Sekundärringes 2 und der oberen Fläche der Ringnut 4 aufrechterhalten
werden.
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Zu diesem Zweck muß bei der in Fig. 3 gezeigten Konstruktion der Sekundärring
2 eine ausreichende, radial auswärts gerichtete Dehnkraft besitzen bzw. liefern,
die in der Lage ist, dem Druck am oberen Kolbensteg zu widerstehen. Das hat einen
extrem hohen Flächendruck der-Kolbenringgleitfläche gegen den Zylinder zum Ergebnis.
Andererseits ist bei der Konstrulction gemäß Fig. 4 kein Freiraum zwischen dem Kolbenring
und der Ringnut vorgesehen, so daß eine axiale Bewegung des Kolbenringes innerhalb
der Ringnnut verhindert ist. In diesem Fall dürfte es nahezu unmöglich sein, Verbrennungsrückstände
oder Fremkörper, die unvermeidlich während des Betriebs erzeugt werden, aus der
Kolbenringnut nach außen herauszubringen.
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Bei einer weiteren, in Fig. 5 gezeigten Kolbenringkonstruktion ist
ein Sekundärring 2 zwischen einer Innenumfangsfläche 13 des Kolbenringes 1 und einer
(irundfläche 43 der Ringnut gehalten. Bei dieser Anordnung wird die Anwendung eines
Drucks an dem nuflager-flächenbereich des Kolbens zur Innenumihgsfläche des Kolbenringes
unterbrochen, wie in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 36-10 004
(1961), in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-30 451 (1979) und in der
USA-Patentschrift 2 504 671 beschrieben ist.
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Eine solche Konstruktion beschränkt jedoch die Bewegung des Kolbenringes
innerhalb der Ringnut sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung, und ferner
muß der Selcundärring 2 außerordentlich dünn sein. Das hat zum Ergebnis, daß der
Sekundärring verformt werden kann, wodurch der Nachteil des Auftretens einer Gasleckage
gegeben ist.
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Diese Unzulänglichkeiten und Nachteile, die herkömlnlicluen Kolbenringkonstruictionen
anhaften und eigen sind, erden insbesondere bei Brennkraftmaschinen augenfällig.
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Im Fall eines Stirling-Motors wird vor allem Dichtigkeit gegen das
Fluid gefordert, und bei einem Kompressor müssen solche Nachteile bei der Hochdruckabdichtung
mit Hilfe eines Kolbenringes in Betracht gezogen werden.
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Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile
und Unzulänglichkeiten, die herkömmlichen Solbenringkonstrictionen anhaften, zu
beseitigen und einen Kolbenring mit verbesserten Aufbau in zusammengesetzter Bauweise
zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Kolbenring derart auszubilden,
daß er in der Lage ist, den mit seiner Gleitbewegung zusammenhängenden Reibungsverlust
herabzusetzen, wobei Schmieröl mit niedriger Viskosität auf Grund der Verminderung
der Gefahr von Abnutzung und Reibungsverschleiß, um somit eine olbenringanordnung
mit insgesamt geringem Reibungsverlust zu schaffen, zu verwenden ist.
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Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, einen solchen olbenring zu schaffen,
dessen Gas-Abdichtfähigkeit gesteigert werden kann, um somit die Anzahl der Gas-Dichtinge
auf einen Ring zu reduzieren und damit die axiale Länge des Kolbens auf Grund der
Verminderung des Einbauraumes für die Gas-Dichtringe herabzusetzen, so daß ein leichter
und kompakter Kolben erhalten wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die Menge an verbrauchtem
Schmieröl auf ein Alindestmaß herabzudrücken.
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Darüber hinaus ist es Ziel der Erfindung, eine Kolbenringanordnung
mit ausgezeichneter Kühl-wirkung zu schaffen.
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Diese und weitere Ziele der Erfindung werden durch einen Kolbenring
erreicht, der die folgenden Merkmale aufweist: a) in einem oberen Teil eines Innenumfangsbereichs
eines ersten Ringes wird eine ringförmige Abstufung ausgebildet; b) in einem oberen
Bereich des Grundes einer Ringnut eines Kolbens wird eine ringförmige Vertiefung
ausgebildet, die sich von der Ringnut radial einwärts erstreckt; c) zwischen der
ringförmigen Abstufung des ersten Ringes und der ringförmigen Vertiefung der Kolbenringnut
wird ein zweiter Ring angeordnet. Die untere Fläche des zweiten Ringes ist sowohl
mit einer oberen Fläche der Abstufung des ersten Ringes wie auch mit einer oberen
Fläche der ringförmigen Vertiefung der Kolbenringnut in Anlage, wenn der erste Ring
innerhalb der Ringnut liegt und eine untere Fläche des ersten Ringes an einer unteren
Fläche der Ringnut anliegt.
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Der Erfindungsgegenstand wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Fig. 6 einen zusammengesetzten
Kolbenring einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung im Schnitt; Fig. 7 eine
Darstellung zur Erläuterung der Druclcverteilung bei dem Kolbenring gemäß der Ausführungs
form von Fig. 6; Fig. 8 eine abgebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Kolbenringes; Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der Druckverteilung
in axialer Richtung bei einem Kolbenring allgemeiner Bauart;
Fig.
10 eine Darstellung zur Erläuterung der Druckverteilung in axialer Richtung bei
einem Kolbenring der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 11 eine Schnittdarstellung
zur Erläuterung der Druckverteilung bei einer abgewandelten Ausführungsform gemäß
der Erfindung; Fig. 12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Druckverteilung
bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 13 bis 15 einen Kolbenring
einer zweiten, dritten und vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung im Schnitt;
Fig. 16 eine perspektivische Darstellung der ersten Ausführungsform eines olbenringes
gemäß der Erfindung; Fig. 17 bis 25 weitere Ausführungsformen von Kolbenringanordnungen
gemäß der Erfindung im Schnitt; Fig. 26 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung
der Druckverteilung in radialer Richtung bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform
eines Kolbenringes gemäß der Erfindung.
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Bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung (Fig. 6 und 7)hat
ein erster Ring 1 eine Außenumfangs fläche li, die an einer Innenumfangsfläche eines
Zylinders 3 gleitend hin- und hergeht. Der erste Ring 1 ist mit einer von seiner
oberen Fläche 12 ausgehenden ringförmigen Abstufung 10 im Bereich seiner Innenumfangs
fläche 13 versehen. Im Kolben ist eine'Ringnut 4 ausgebildet, von deren Grundfläche
43 im oberen Teil der Nut 4 eine ringförmige Vertiefung 40 ausgeht, die sich radial
zur Kolbenachse hin erstreckt. Zwischen die Abstufung 10 sowie die Vertiefung 40
ist ein zweiter Ring 2 eingefügt, dessen untere Fläche 24 sowohl mit einer oberen
Fläche 120 der Abstufung 10 wie auch mit einer oberen Fläche 420 der Vertiefung
40 in Anlage ist. In
diesem Fall ist, wie Fig. 6 zeigt, die obere
Fläche 120 der Abstufung 10 in einer Flucht mit der oberen Fläche 420 der Vertiefung
40, wenn der erste Ring 1 mit der Bodenfläche 44 der Ringnut 4 in Anlage ist, so
daß die untere Fläche 24 des zweiten Ringes 2 plan sein kann, um einen möglichst
einfachen Aufbau und Fertigungsvorgang zu bieten. Die untere Fläche 24 des zweiten
Ringes 2 ist in enger Anlage an der oberen Fläche 120 der Abstufung 10 und an der
oberen Fläche 420 der Vertiefung 40. Die obere Fläche 42 der Ringnut 4 setzt sich
ohne Unterbrechung in die Vertiefung 40 hinein fort. Somit wird der Druck am oberen
Kolbenstegbereich auf die obere Fläche 22 des zweiten Ringes 2 über einen Freiraum
einwirken, welcher zwischen der Ringnut 4 sowie dem ersten Ring 1 begrenzt ist,
wobei der zweite Ring 2 kräftig gegen die oberen Flächen 120 und 420 gepreßt wird,
um eine ausreichende Abdichtfähigkeit zu bieten und zu erhalten.
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Ein hervorstechendes Merkmal der Erfindung wird unter Bezugnahme auf
Fig. 7 erläutert. Erfindungsgemäß wird auf den Kolbenring in dessen radialer Richtung
aufgebrachter Druck in idealer Weise verteilt, um damit den Reibungsverlust herabzusetzen.
Wie oben erwähnt wurde, ist ein Kolbenring in seiner radialen Richtung einem Druck
ausgesetzt, wobei der Druck P1 auf die Außenumfangsfläche lt und der Druck P3 auf
die Innenumfangs~ fläche 13 des IColbenringes wirkt. Da erfindungsgemäß der Druck
und das Gas vom oberen Kolben-steg 7 her durch den zweiten Ring 2 abgesperrt werden,
ist der auf den unteren Teil der Innenoberfläche 13 des Kolbenringes 1 wirkende
Druck p2 äußerst niedrig und sein Wert ist nahezu dem Druck p8 gleich, der auf den
unteren Teil der Außenoberfläche des Kolbenringes wirkt. Andererseits ist die Innenoberfläche
130 der Abstufung 10 durch den zweiten Ring 2 dem Druck p7 ausgesetzt, welcher im
wesentlichen dem Druck am oberen Kolbensteg 7
gleich ist. Somit
kann die auf den Kolbenring in radia-1er Richtung aufgebrachte Kraft durch die folgende
Formcl dargestellt werden: (Kraft in radialer Richtung) = (p7 + p8) = (p7 . h3 +
p2 . h2) - 2 . h1 worin ist hl: axiale Länge der Außenumfangsfläche li des ersten
Ringes 1; h2: axiale Länge der Innenumfangsfläche 13 des ersten Ringes 1; h3: axiale
Länge der Innenoberfläche 130 der Abstufung 10.
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Da in diesem Fall p8 = p2 und h1 = h2 + h3 ist, folgt: (Kraft in radialer
Richtung) = = ½ (P7 . h3 + p8 . h2 - p7 . h2 - p8 . h3) = = ½ (P7 - P8) (h3 - h2)
Mit diesem Ausdruck ist es möglich, die auf den Kolbenring in radialer Richtung
einwirkende Kraft gleich Null zu machen, was bedeutet, daß, um eine Druckeinwirkung
von der Brennkammer oder der Druckkammer auf den Kolben ring zu. vermeiden, die
vertikalen Strecken h3 und h2 einander gleich sein sollen Um genau zu sein, heißt
das, daß die folgende Formel aufgestellt werden kann, um einen Null-Druck zu erhalten:
h3 = h2 = hl h3 = h2 = h1 Im Hinblick hierauf unterliegt der Kolbenring einem in
radialer Richtung wirkenden Druck allein aus seiner Selbstdehnungskraft, indem die
entgegengerichtete radiale Druckanwendung vom oberen Kolbensteg oder vom Kompressionsdruck
der Verdichtungskammer her gelöscht oder aufgehoben wird. Deshalb gleitet der Kolbenring
an der Zylinderinnenflächc mit optimalem Druck. Das hat zum Ergebnis, daß bei dem
erfindungsgemäßen Kolbenring ein Reibungsverlust weitgehend vermindert werden kann,
da
der Kolbenring nicht an der Zylinderfläche mit hohem Flächendruck gleitet, und das
ist einer der wesentlichsten Gesichtspunkte der Erfindung.
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Ferner wird normalerweise, was die Schmierstellen des hin- und hergehenden
Mechanismus betrifft, ein Ölfilm an Kolbenring nur schwerlich gebildet. Deshalb
muß ein Schmieröl hoher Viskosität verwendet werden, um einen ausreichenden Ölfilm
unter Bedingungen hoher Temperatur und schwierigen Gleitens zu bilden, Aus diesem
Grund wird im Zustand niedriger Temperatur und mäßigen Gleitdrucks, was für den
größeren Teil der Arbeitsbedingungen des hin- und hergehenden Mechanismus zutrifft,
der Reibungsverlust in ungünstiger Weise wegen der hohen Viskosität des Öls erhöht.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Anordnung liegt der Kolbenring gemäß der Erfindung
gleitend. am Zylinder an, und zwar wegen der oben erwähnten Druckaufhebung mit niedrigem
Anlagedruck ohne Rücksicht auf den hohen Druck von der Brenn- oder Verdichtungskåmmer
her, so daß ein Ölfilm geschaffen werden kann, um auch bei Verwendung von Schmieröl
niedriger Viskosität gute Verschleiß- und Abriebfestigkeit zu bieten. Eine solche
Anwendung von Öl niedriger Viskosität kann erstmalig bei dem Gegenstand der Erfindung
verwirklicht werden, und es kann ein Reibungsverlust an den anderen Schmierstellen,
als da sind Kolben, Kurbalwelle und. Nockenwelle, herabgesetzt werden. Das hat zum
Ergebnis, daß ein Kolbenring gemäß der Erfindung zur Verminderung des Reibungsverlustes
im gesamten hin- und hergehemden Mechanismus bzw. in der diesen enthaltenden Maschine
beiträgt.
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Theoretisch kann der primäre Zweck der Erfindung erreicht werden,
wenn die Beziehung der Höhen so einge stellt wird, daß h3 = h2 ist. Jedoch ist tatsächlich
der untere Teil der Außenumfangsfläche 11 des Kolben ringes einem größeren Druck
als p8 ausgesetzt, so daß
P1 größer als (p7 + pe)/2 wird. In diesem
Fall kann h3 hl geringfügig Srößer sein als 2 wn zu verhindern, daß der Kolbenring
radial einwärts gedrückt wird.
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Ferner liegt eines der Merkmale der.Erfindung in einer Steigerung
der Gas-Abdichtfunktion. Um diese Funktion weiter zu verbessern, wird ein lippenartiger
Teil 15 des ersten Ringes 1 stufenartig ausgebildet, wie Fig. 8 zeigt, wobei diese
Lippen 15 in der Umfangsrichtung des Ringes vorragen. Die abgestuften Lippen verhindern
den Gasdurchtritt an der Außenumfangsfläche des Kolbenringes.
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Um die Gas-Abdichtfähigkeit noch weiter zu steigern, wird ein Gasdurchtritt
an der Innenumfangsfläche des Kolbenringes nach außen berücksichtigt. Das heißt,
daß, wie Fig. 9 zeigt, die Beweglichlieit des Kolbenringas in seiner axialen Richtung
durch den auf die obere Fläche 12 und auf die untere Fläche 14 des Kolbenringes
1 wirkenden Druck und durch dessen Massenkraft I bestimmt wird. In Fig. 9 sind p7
der Druck am oberen Kolbensteg und pS der Druck am Kolbenmantel unmittelbar am unteren
Teil des Kolbenringes. Bei einem Kolbenring der in Fig.9 gezeigten allgemeinen Bauart
ist die Bedingung für das Abheben des Kolbenringes von der Bodenfläche 44 der Ringnut
durch den folgenden Ausdruck darzustellen: (p7 + p8) (p7 - p8) I > p7 . T - 2
. T = 2 . T wobei T gleich der Breite des Kolbenringes in radialer Richtung ist.
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Andererseits ist bei einem Kolbenring gemäß der Erfindung die sowohl
auf die untere wie obere Fläche 14 bzw. 12 des Ringes wirkende Druckverteilung,
wie Fig. 10 zeigt, zu derjenigen von Fig. 9 unterschiedlich, weil der zweite Ring
2 den Gasströmungsweg zur unteren Kol benringfläche blockiert. Bei dem Erfindungsgegenstand
ist die Bedingung für das Abheben des Kolbenringes
von der Bodenfläche
44 der Ringnut 4 durch den folgenden Ausdruck, in dem der zweite Ring 2 unberücksichtigt
bleibt, dazustellen: I > (p7 - p8 2 p2 ) , T 2 Wenn p2 = p8, so wird der Ausdruck
zu I > (p7 - p8) . T Hier-aus wird klar, daß gemäß der Erfindung, auch wenn eine
zweimal so große Massenkraft wie diejenige bei einem herkömmlichen Kolbenring ausgeübt
wird, der Kolbenring von der Bodenfläche der Ringnut nicht abgehoben oder zu dieser
Fläche beabstandet wird. Das heißt mit anderen Worten, daß unter der Voraussetzung
gleicher Masse eines Kolbenringes nach der Erfindung und nach herkömmlicher Art
der Ring nach der Erfindung nicht von der Bodenfläche der Ringnut abgehoben wird,
auch wenn der Motor oder Kompressor eine positive Beschleunigung erfährt, die doppelt
so groß ist wie die einer herkömmlichen Maschine, in die ein üblicher Kolbenring
eingebaut ist. Im Hinblick darauf ist bei hohen Drehzahlen der Maschine ein Abheben
des Kolbenringes vermeidbar, um auf diese Weise einen Gasdurchtritt in dem von der
unteren Fläche 14 des Kolbenringes und der Bodenfläche 44 der Ringnut begrenzten
Raum zu unterbinden, In diesem Fall ist die Wirkung des zweiten Ringes vernachlässigbar,
da seine Masse sehr viel kleiner als diejenige des ersten Ringes ist, so daß seine
Massenkraft gering ist. Die Wahrscheinlichkeit eines Abhebens des zweiten Ringes
im hohen Drehzahlbereich der Maschine ist somit kaum gegeben.
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Um die Gas-Abdichtfähigkeit noch weiter zu steigern, kann ferner an
der unteren Fläche 24 des zweiten Ringes 2 eine Vertiefung oder ein ausgespart er
Bereich vorgesehen werden, wie Fig. 11 zeigt. Diese Vertiefung bewirkt, daß der
Druck p2 auf die untere Fläche des zweite ten Ringes 2 ausgeübt wird und nicht der
Druck p7 der
maximalen Druckverteilung von Fig. 12. Der Druck p2
ist der in einem Raum 100, welcher durch die untere Innenumfangsfläche 13 des ersten
Ringes 1, durch den zweiten Ring 2 sowie die Ringnut 4 bestimmt ist, herrschende
Druck. Durch diese Ausbildung kann die Kraft für ein Abheben des Ringes 2 auf das
allergeringste Maß herabgedrückt werden.
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Darüber hinaus kann der Innendruck p2 im Raum 100 durch Vergrößerung
des Innenvolumens desjenigen Raumes, der von der Innenfläche 13 des ersten Ringes,
von der unteren Fläche 24 des zweiten Ringes und der Ringnut 4 begrenzt wird, vermindert
werden. Das Gas wird unvermeidbar in den Raum eingeführt, jedoch wird wegen des
großen Innenvolumens des Raumes 100 der Innendruck p2 nicht besonders erhöht.
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Insbesondere kann gemäß der Ausbildungsform von Fig. 13 am unteren
Teil der Innollumfangsflache des orsten Ringes 1 eine Kehle oder Fuge 134 ausgearbeitet
werden. Gemäß einer weteren, in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform wird an der Ringnut
4 eine Furche oder zusätzliche Nut 440 ausgebildet, die mit dem Raum 100 in Verbindung
steht.
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Eine noch andere Möglichkeit zeigt die Fig. 15 auf, wonach von der
unteren Fläche 24 des zweiten Ringes 2 ausgehend in diesen eine Rinne 200 eingearbeitet
wird.
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Diese Rinne sollte jedoch nicht im Bereich von Lippen des zweiten
Ringes ausgebildet werden, da sonst eine Gasleckage hervorgerufen werden kann.
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Wie aus dem Obigen hervorgeht, kann gemäß der Erfindung ein Gasdurchtritt
auf Grund eines Abhebens des Kolbenringes verhindert werden, und ferner wird ein
Gasdurchtritt an der Außenfläche des Kolbenringes durch die abgestufte Lippe 15
unterbunden. Insofern wird die Gas-Abdichtfähigkeit im Vergleich zu einem üblichen
Kolbenring ganz beträchtlich gesteigert. enn bei einem her-
kömmlichen
Gas-Abdichtring in dessen axialer Erstreckung Doppelringe vorgesehen werden mußten,
so wird als Ergebnis der erfindungsgemäßen Ausbildung nur ein einzelner konzentrischer
Iting verwendet, der eine ausreichende und die gewünschte Wirkung bietet. Dies beruht
auf der neuartigen Funktion und Ausgetaltung des Erfindungsgegen standes, die mit
Bezug auf Fig. 16 erläutert wird.
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Wenn, wie Fig. 16 zeigt, der freie Spalt zwischen den Lippen 25 des
zweiten Ring es 2 in Umfangsrichtung gleich G2 und der Abstand zwischen der Innenfläche
13 des ersten Ringes 1 sowie der flingnutgrundfläche 43 gleich C2 ist, so ist der
Gasströmungsbereich gleich G2 . C2. Andererseits ist der Raum 151 an den oberen
Lippen 15 des ersten Ringes 1 durch die Abstufung blockiert, so daß hier ein Gasdurchtritt
nicht entsteht, während an den unteren Lippen 152 ein Spalt von der Größe Gl in
Umfangsrichtung vorhanden ist, so daß, wenn der Raum zwischen dem Kolben und Zylinder
gleich Cl ist, der Gasströmungsbereich gleich G1 . Cl wird. Der eine Verbindung
zwischen den Lippen des ersten und zweiten Ringes bildende Raum 100 wird durch die
untere Fläche 24 des zweiten Ringes, die Innenfläche 13 des ersten Ringes und die
Nutgrundfläche 43 bestimmt. Wenn das Innenvolumen des Raumes 100 groß ist, so wird
der Druck des an den Lippen 25 des zweiten Ringes durchtretenden Gases abgesenkt,
und dieses wird zum Raum 152 der unteren Lippen 15 des ersten Ringes geführt. Eine
derartige Gasströmung würde zonen zur herkömmlichen Gasleckageströmung gleichartigen
Zustand herbeiführen, wobei der Strömungsweg in den Spalten zwischen den oberen
und unteren Gasdichtungsringen sowie dem oberen olbenstegbereich zwischen den Ringen
(Kopfring und zweiter Ring) bestimmt ist. Das bedeutet, daß die Gasströmungsbereiche
G2 . C2 und G1 . C1 des zweiten sowie ersten Ringes annähernd gleich zueinander
sind, so daß die Konstruktion gemäß der Erfindung die gleiche Funktion ergibt, wie
sie bei Doppelkolbenringen von vertikaler An-
ordnung Scmaß dem
Stand der Technik gegeben ist. Wenn, wie im Fall der Anwendung von zwei Kolbenringen,
das Inneiivolumen des Raumes 100, das dem Innenvolumen des zwischen dem oberen und
unteren Kolbenring bei einer herkömmlichen Konstruktion bestimmten Flächenb ereichs
entspricht, groß ist, so kann, da der Gasdruck abnimmt, die Gas-Abdichtfunktion
begünstigt werden. Gemäß der Erfindung muß der Raum 151 zwischen den oberen Lippen
des Ringes 1 verschlossen werden, und deshalb soll dieserum i51 nicht mit dem abgestuften
Bereich 10 verbunden sein. Ferner soll die Lage der Lippen des ersten Ringes zu
denen des zweiten Ringes beabstandet sein, und der zweite Ring wird vorzugsweise
so bearbeitet, daß er an einer freien Drehung in bezug zum ersten Ring gehindert
ist. Es ist darüber hinaus klar, daß die Lippenabstufung am zweiten Ring anstelle
der in Fig. 16 gezeigten Lippen in rechtwinkliger Ebene vorgesehen werden kann.
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Die bisherige Beschreibung hat sich vor allem auf einen niedrigen
Reibungsverlust und geringe Gasleckage bezogen, denn das sind die primaren Merkmale
und Ziele des Erfindungsgegenstandes, der jedoch darüber hinaus noch zusätzliche
Merkmale beinhaltet und weitere Vorteile erreichen läßt.
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Wie oben erwähnt wurde, wird durch den.Erfindungsgegenstand ein Heben
des Kolbenringes innerhalb seiner Nut wirend eines Betriebs mit hoher Drehzahl verhindert,
und ein Gasaustritt an der Außenumsgsfläche des Kolben ringes wird auf ein minimales
Maß herabgesetzt, weshalb eine hohe Gas-Abdichtfähigkeit erhalten wird. Durch diese
Tatsache wird auch der Verbrauch an Schmieröl vermindert. Im einzelnen Fall ist
es so, daß bei einem herkömmlichen Kolbenring vom unteren Teil des Zylinders aufsteigendes
Schmieröl allein durch die Außenumfangs fläche des Ringes abgesperrt wird, während
im Gegensatz
hierzu solches ,lufsteigendes Schmieröl beim Erfindungsgegenstand
durch den rückwärtigcn Seitenbereich und auch durch den Außenflächenbereich des
Kolbenringes abgesperrt wird.
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Ferner wird bei eine X erkömmlichen Kolbenring die Wärme des Kolbens
nur von der oberen sowie unteren Fläche des Kolbenringes übertragen; dagegen kann
beim Erfindungsge genstand, da der zweite Ring zwischen den ersten Kolbenring und
die Ringnut eingesetzt ist, im Kolben angestaute Wärme schnell auf den Zylinder
übertrgen werden.
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Das hat zum Ergebnis, daß selbst bei Anwendung eines einzelnen zusammengesetzten
Kolbenringes gemäß der.Erfindung die Rühllfirl;ung für den Kolben die gleiche sein
dürfte und sein wird wie die ICühlwirkung, die sich bei Doppelkolbenringkonstruktionen
herkömmlicher Art ergibt.
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Grundsätzliche Merkmale und hervorstechende Wirkungen, die dem Erfindungsgegenstand
eigen sind, wurden erläutert, und der olbenring gemäß der Erfindung kann für verschiedenartige
Anwendungsfälle eingesetzt werden, wofür einige bevorzugte Ausbildungsformen anschließend
beschrieben wurden.
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Es soll zuerst auf die Maßverhältnisse des Kolbenringes in radialer
Richtung eingegangen werden. Gemäß der ersten, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung ist der Außendurchmesser des zweiten Ringes 2 im wesentlichen gleich
dem Innendurchmesser der Abstufung 10 des ersten Ringes 1. Der zweite Ring liefert
keine Selbstausdehnung in radialer Richtung nach außen. Es ist jedoch vorzuziehen,
für eine Selbstausdehnung zu sorgen, die radial auswärts gerichtet ist, um die Spannung
des ersten Ringes 1 zu unterstützen und zu ergänzen. In diesem Fall kann, da zwischen
dem ersten und zweiten Ring eine Fluidabdichtung zu erhalten ist, der in Fig. 16
gezeigte
Gasströmungsweg erhalten bleiben. Ferner ist cs möglich, einen zweiten iZing vorzusehen,
der seinen Lippenbereich selbst schließt und zum ersten Ring, wie Fig. 17 zeigt,
beabstandet ist. In diesem Fall wird der Spalt im Lippenbereich des zweiten Ringes
gleich Null, da bei dieser Ausführung der zweite Ring eine radial einwärts pressende
Kraft abgibt, und deshalb wird der Gasströmungsweg zwischen der oberen sowie unteren
Lippe des ersten Ringes durch den Ringspalt zwischen erstem und zweiten Ring geschaffen.
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Wie Fig. 11 zeigt, wird an der unteren Fläche 24 des zweiten Ringes
überdies eine sehr kleine Vertiefung geschaffen, so daß der Druck p2 des Raumes
100 nur auf die untere Fläche übertragen wird, um dadurch ein Anheben des zweiten
Ringes 2 zu verhindern. Gemäß einer anderen, in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung können jedoch auch ringförmige Vorsprünge 240 an der unteren Fläche
24 des zweiten Ringes ausgebildet werden, wodurch eine gleichartige Wirkung wie
mit der Ausbildung von Fig. 11 zu erhalten ist.
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Die Fig. 19 zeigt eine Ausführungsform, wobei eine Feder 28 zwischen
Ringnut und zweiten Ring 2 eingesetzt ist, um eine ganz sichere fluiddichte Ausbildung
zwischen dem zweiten Ring 2, dem ersten Ring 1 und der oberen Fläche 420 der Vertiefung
in der Nutgrundfläche zu erreichen. Die an der unteren Fläche des zweiten Ringes
2 (Fig. lt) ausgearbeitete Vertiefung oder der dort ausgesparte Bereich bzw. die
ringförmigen Vorsprünge 240 (Fig. 18 und 19) ermöglichen es, daß der zweite Ring
2 in dichter Anlage an der oberen Fläche 120 der Abstufung des ersten Ringes und
an der oberen Fläche 420 der Vertiefung im Nutengrund ist, wodurch eine ausgezeichnete
Abdichtfähigkeit zu erreichen ist. Darüber hinaus kann, auch wenn die obere Fläche
420 der Vertiefung 40 in der Nut grundfläche nicht mit der oberen Fläche 120 der
Ab-
stufung des ersten Ringes auf Grund von unvermeidbaren Abweichungen
bei der maschinellen Bearbeitung fluchtet, der zweite Ring eine Linienberührung
mit den Flächen 120 und 420 wegen der sehr kleinen Verdrehung des zweiten Ringes
dennoch aufrechterhalten. Insofern ist diese Ausbildung für den praktischen Gebrauch
besonders zu empfehlen. Eine solche Konstruktion ist im Fall eines auf der Ausbildung
der Abstufung beruhenden Verziehens oder Verwerfens des ersten Ringes von Vorteil,
denn auch dann bewahrt der zweite Ring eine dichte Anlage am ersten Ring, um so
die Abdichtfun1ion beizubehalten.
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Die in Fig. 20 gezeigte Ausführungsform gemäß der Erfindung bewahrt
die Dichtfähigkeit auch im Fall der oben erwähnten Bearbeitungsablfeichlmg am ersten
Ring oder bei dessen Verwerfen. Hierbei ist wenigstens eine der Flächen 120 oder
420 gekrümmt ausgebildet und gleicherweise verläuft die untere Fläche 24 des zweiten
Ringes in einer Bogenform. Bei dieser Ausbildung hält, auch wenn der erste Ring
1 verzogen ist, die untere Fläche 24 des zweiten Ringes eine dicllte Anlage an den
Flächen 120 und 420 an einer ringförmigen Linie oder auch mehrerer solcher bzw.
an einer ringförmigen Fläche zwischen den Teilen 2, 1 und 5 aufrecht, so daß die
Abdichtfunktion gewährleistet ist.
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Bei der in Fig. 21 gezeigten weiteren Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
sind geneigte Abschnitte, d.h. Abschrägungen, 124 und 424 an der freien Stirnseite
123 der Abstufung des ersten Ringes 1 bzw. an der freien Stirnseite 423 der Vertiefung
im Nutengrund ausgebildet, und es sind entsprechende geneigte Bereiche, d.h. Abschrägungen,
241 und 244 an der unteren Fläche24 des zweiten Ringes 2 vorhanden. Durch eine solche
Ausbildung wird die Abdichtwirkung weiter gesteigert. Wenn in diesem Fall der Neigungswinkel
cc groß ist, so wird auf den zweiten Ring 2 wirkender Axialdruck
verstärkt
auf den ersten Ring 1 übertragen, weshalb der lfirlkel ot klein sein soll, Es ist
hier noch zu bemerken, daß die an der Innenumfangsflnche 13 des ersten Ringes ausgebildete
Fuge 134 neben der Steigerung der Gas-Abdichtfähigkeit wirksam ein auf der Ausbildung
der Abstufung 10 beruhendes Verziehen des ersten Ringes verhindert.
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Weitere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in Fig.
22 und 23 zeigt. Hierbei sind die obere Fläche 120 der Abstufung 10 des ersten Ringes
1 und die obere Fläche 420 der Nutengrundvertiefung 40 miteinander in einer Flucht,
sie sind jedoch mit Bezug zur radialen Erstreckung des Kolbenringes geneigt ausgebildet.
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Ferner erzeugt der zur Anwendung kommende zweite Ring einen radial
einwärts gerichteten Druck, um seinen Lippenbereich zu schließen. enn bei dieser
Ausbildung auch der Druck vom oberen Kolbensteg auf den zweiten Ring nicht wirkt,
so hält dieser Ring dennoch seine Anlage an den oberen Flächen 120 und 420 aufrecht.
Derartige geneigte Flächen sind insbesondere als Gegenmaßnahme zu Verbrennungsrückständen
in Dieselmotoren wirksam.
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Bei der in Fig. 24 gezeigten Ausführungsform ist die Ringnut durch
maschinelle Bearbeitung des Kolbenkörpers gefertigt, und in den Kolben 5 ist durch
ein Fenstergußverfahren ein Kolbenringträger 9 eingegossen, der für eine Abriebfestigkeit
sorgt und Flächen 91, 92 aufweist, die jeweils mit der unteren Fläche des ersten
Ringes 1 bzw. des zweiten Ringes 2 in Anlage sind. Der Träger 9 kann ersichtlich
so vorgesehen werden, daß er die gesamte Oberfläche der Kolbenringnut 4 bedeckt.
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nci der in Fig. 25 gezeigten Konstruktion hat der zweite Ring 2 eine
relativ kurze axiale Erstreckung (Höhe), und in dies cm Fall wird in der Ringnut
4 ein relativ großer Freiraum gebildet, in dem sich unverbranntes Gas bzw. Fremdkörper
ansammeln können. Um den Freiraum klein zu halten, wird an der oberen Fläche 42
der Ringnut 4 ein ringförmiger Vorsprung 45 vorgesehen.
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Der Erfindungsgegenstand ist auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
nicht beschränkt. Wenn beispielsweise durch die Verbrennungsrückstände das ungünstige
Aneinanderhaften (Kleben) von erstem und zweitem Ring hervorgerufen wird bzw. zu
befürchten ist, so können erste und zweite Ringe mit abfallenden oder keilförmigen
Berührungsflächen, wie die Fig. 22 und 23 zeigen, verwendet werden, es kann der
zweite Ring gemäß Fig. 19 federbelastet sein und die untere Fläche des zweiten Ringes
kann eine Vertiefung, wie die Fig. 11, 18 und 19 zeigen, aufweisen. Ferner kann
zusätzlich zu einer solchen Kombination eine Vergrößerung des Raumes 100 (wie nach
Fig. 13 bis 15) in Betracht gez ogen werden.
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Die Außenumfangsfläche des ersten Ringes zeigt eine Ausgestaltung,
soweit bisher erläutert wurde, die im wesentlichen derjenigen von herkömmlichen
Kolbenringen gleich ist. Es ist jedoch das grundsätzliche, herausragende Merkmal
des Erfindungsgegenstandes, das den Druckausgleich bzw. das Druckgl ei chgewicht
zwischen Innen- und Außenflächen des Kolbenringes betrifft, nochmals hervorzuheben.
Wenn beispielsweise, wie Fig. 26 zeigt, die Außenfläche des ersten Kolbenringes
1 einen konischen Flächenbereich 111 hat, so ist das Druckgleich gewicht theoretisch
dadurch zu erhalten, daß die axiale Erstreckung (Höhe) h2 der Innenumfangsfläche
des Ringes 1 gleich der halben Höhe von h4 gemacht wird, wobei h4 die axiale Erstreckung
(Höhc) des nicht am Konus 111 beteiligten Bereichs der Außenumfan gsrläche ist.
Deshalb
muß, wenn der IColbonrilg einen konischen oder kegeligeri
bzw. einen z.B. nach Art einer Faßhälfte gekrümmten Bereich hat, die höhe h2 der
Abstufung geregelt werden.
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Es bedarf an sich keiner Erwähnung, daß das Material für deii ersten
und zweiten Ring die grundsätzliche Funiction des Erfindungsgegenstandes nicht beeinflußt
oder beeinträchtigt. Als Werkstoffe kommen beispelsweise Gußeisen, Stahl, Sinterlegierung,
synthetisches Harz und Faserverbundmaterialien in Betracht. Da jedoch für den zweiten
Ring keine Selbstausdehnungskraft gefordert wird, ist es vorzuziehen, diesen Ring
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus einer Kupferlegierung,
zu fertigen, so daß die Kühlwirkung fiir den Kolben gesteigort werden kann.
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Ferner werden die Gleitflächen des ersten und zweiten Ringes bevorzugterweise
einer Oberflächenbehandlung unterworfen, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Beispielsweuse
können nach Wahl ein Verchromen, eine Gas-Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur,
ein Abschrecken und eine Schwefelungsbehandlung ausgeführt werden. Ferner kann der
Reibungsbeiwert durch Einbetten von Material geringer Itcibung, z.B. Molybdändisulfid
und Polytetrafluoräthylen, in die Gleitflächen herabgesetzt werden.
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Wie oben erwähnt wurde, wird durch den erfindungsgemäßen Kolbenring
eine Konstruktion geschaffen, die in der Lage ist, den auf die Innen- und Außenflächen
des Ringes in dessen radialer Richtung wirkenden, gegenüberliegenden Druck aufzuheben,
so daß der Anlagedruck des Kolbenringes an der Zylinderfläche auf dem vorbestimmten
niedrigen ert auch bei Betrieb unter hohem Druck gehalten werden kann. Das hat zum
Ergebnis, daß der Reibungsverhst des Kolbenringes auf ein Minimum herabgesetzt wird
und daß Öl mit niedriger Viskosität verweiidet werden kanal.
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Dcmzufolge kann der dem gesamten hin- und hergehenden Mechanismus
eigene bzw. mit diesem zusammenhängende Reibungsverlust herabgesetzt werden.
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Da ferner durch die Erfindung ein Abheben des Kolbenringes in axialer
Richtung auch im hohen Drehzahlbereich der Maschine verhindert wird, kann eine Gasleckage
von der Rückseite des Kolbenringes unterbunden und ferner aufsteigendes Schmieröl
an diesem Teil abgesperrt werden, um auf diese Weise den Gesamtverbrauch an Schmieröl
herabzudrücken.
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Da gemäß der Erfindung der erste Ring mit einer abgestuften Lippe
versehen ist, wird die Gas-Abdichtfähigkeit gesteigert. Ferner arbeitet der aus
einem ersten und zweiten Ring zusammengesetzte Kolbenring als ein einziger Ixolbenring,
wobei er dennoch die gleiche Abdichtwirkung wie bei einer herkömmlichen Doppelkolbenringanordnung
bietet, bei der zwei Kolbenringe mit Abstand zueinander in axialer Richtung des
Kolbens unter Bildung eines Kolbensteges zwischen ihnen angeordnet sind. Damit kann
die axiale Länge des Kolbens vermindert und der Reibungsverlust des Kolbenringes
niedrig gehalten werden.
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Da bei dem Erfindungsgegenstand der zweite Ring eine ausgezeichnete
Wärmeleitfähigkeit hat, so daß er Wärme vom Kolben an den Zylinder gut abführt,
so wird ferner die Kühlwirkung verbessert und gleichzeitig kann der Reibungsverlust
vermindert werden.
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Durch die unabhängige Bewegbarkeit, die zwischen dem ersten und zweiten
Ring zu erreichen ist, kann darüber hinaus die Gefahr des Zusammenklebens der Ringe
auf ein Minimum herabgesetzt werden.
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