DE3318325C2

DE3318325C2 - Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolben-Brenn-Kraftmaschine

Info

Publication number: DE3318325C2
Application number: DE19833318325
Authority: DE
Inventors: Takashi Toyota Aichi Inoue; Yorishige Maeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-02-08
Filing date: 1983-05-19
Publication date: 1990-03-29
Also published as: GB2136089B; DE3318325A1; GB2136089A; GB8313481D0

Abstract

Es wird ein Kolbenring beschrieben, der ein mit einer sich entlang der Außenfläche des Ringes erstreckenden Ringnut versehenes Ringelement umfaßt. Innerhalb der Nut befindet sich eine eingespritzte Schicht aus geschmolzenem Metall, die nach außen konvex ausgebildet ist. Ein Rand der Gleitfläche, der von der Außenfläche des Ringes und der Außenfläche der eingespritzten Schicht gebildet wird, ist über seinen Umfang herum abgeschrägt. Der abgeschrägte Abschnitt erstreckt sich sowohl über das Basismaterial als auch einen Teil der eingespritzten Schicht. Das Ringelement kann aus Stahl oder aus rostfreiem Stahl bestehen. Vorzugsweise ist der Innenrand des Ringes um seinen Umfang herum abgeschnitten, und die untere Fläche des Ringes ist einer Salzbadnitrierung unterzogen worden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kolbenringe dieser Art sind bekannt (DE-OS 30 34 519). Mit solchen Kolbenringen können sich Schwierigkeiten ergeben, wie sie nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 4 erläutert werden, von denen die F i g. 4 einen Kolbenring leigt, wie er im wesentlichen demjenigen der DE-OS 30 34 519 entspricht Und zwar wurden Verschleißtests mit derartigen Kolbenringen durchgeführt, um Ergebnisse in bezug auf den Verschleiß und den Abrieb der Zylinderbohrung zu gewinnen. Aus diesen Ergebnissen ging hervor, daß sich die Kolbenringe verwerfen und während des Verbrennungshubs und des Expansionshubs der Kolben ihre Gleitflächen nach unten kippen, so daß dabei das Basismetall an der Oberseite der Schicht aus geschmolzenem Metall gegen die Zylinderbohrung gepreßt wird.

In den F i g. 1 bis 3 sind Meßergebnisse dargestellt, di? bei Abriebstets von Zylinderbohrungen und herkömmlich ausgebildeten Stahlkolbenringen (Kompressionsring Nr. 1) gewonnen wurden. Es waren dabei folgende Testbedingungen gegeben:

Kolbenhub 1800 cm³
Anzahl der Zylinder4
Drehzahl 5600 UpM
Lastbedingungen Vollast
Antriebszeit 100 h

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Gleitfläche eines Kolbenrings. Die strichpunktierte Linie / zeigt den Schnitt durch die Fläche vor dem Betrieb der Brennkraftmaschine, während die durchgezogene Linie / die Fläche nach dem Betrieb der Brennkraftmaschine zeigt. In Fig. 1 ist zum besseren Verständnis der Maßstab in Vertikalrichtung 20mal und in Horizontalrichtung I OOOmal vergrößert.

In F i g. 2 ist der Verschleiß einer Zylinderbohrung bei Verwendung des vorstehend erwähnten Kolbenringes dargestellt. Hierbei ist der Maßstab in Vertikalrichtung 20mal und in Hori/ontalrichtung 1 OOOmal vergrößert. Die strichpunktierte Linie K zeigt einen Schnitt durch den Kolbenring, während die durchgezogene Linie L einen Schnitt durch die Zylinderbohrung in der Nähe

des oberen Totpunktes zeigt.

Wie man aus den F i g. 1 und 2 entnehmen kann, verschleißen in erster Linie dia Oberseite der Gleitfläche eines Kolbenringes und der Zylinderbohrungsabschnitt in der Nähe des oberen Totpunktes, der sich an die Form der Gleitfläche des Kolbenrings anpaßt

Fig.3 zeigt einen Schnitt durch die Oberseite und Unterseite des Kolbenringes. Hierbei ist der Maßstab 1 OOOmal in Vertikalrichtang und 20mal in Honzontalrichtung vergrößert Die obere durchgezogene Linie M zeigt die Oberseite, während die untere durchgezogene Linie Λ/die Unterseite wiedergibt Die Gleitfläche weist in F i g. 3 nach rechts. Aas F i g. 3 geht hervor, daß in der Unterseite des Kolbenringes der rückwärtige Abschnitt CiT Gleitfläche einen beträchtlichen Abrieb aufweist, während in der Oberseite die Abriebstiefe vom rückwärtigen Abschnitt der Gleitfläche bis zum Mittelpunkt des Kolbenrings hin allmählich ansteigt.

Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse wird davon ausgegangen, daß die in Fig.3 gezeigte Ausnehmung an der Unterseite des Kolbenringes dadurch gebildet wird, daß die Unterseite des Kolbenringes von der Unterkante der Kolbenringnut 1 ausgeschlagen wird, wie in F i g. 4 gezeigt Infolge dieser Ausnehmung wird der Kolben, wenn er mit dem durch eine Verbrennung entstehenden Druck belastet wird, in einfacher Weise verdre^a, so daß sich seine Gleitfläche 2 abwärts dreht Der Kolbenring wird insbesondere beim Verbrennungshub und Expansionshub des Motors mit einer beträchtlichen Kraft nach unten gedrückt, so daß das Basismetall des oberen Randes 3 der Gleitfläche 2 gegen die Zylinderbohrung 4 in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens gepreßt wird. Dadurch wird die Zylinderbohrung 4 durch das Basismetall des oberen Randes 3 verschlissen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolbenring gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit dem das Auftreten von Reibung zwischen der Zylinderbohrung und dem Basismetall an dei Oberseite der ein gespritzten Schicht vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die plane Fase stellt sicher, daß bei einem Verkippen des Kolbenrings, wie es beispielsweise in Fig.4 verdeutlicht ist. das Basismetall an der Oberseite der eingespritzten Schichten nicht mit der Zylinderbohrung in Kontakt tritt.

Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus Patentanspruch 2.

Es ist aus der US-PS 27 12 971 bekannt, die Kolbenringkontur etwa trapezförmig mit abgerundeten Kanten zu gestalten und im wesentlichen über die gesamte Kontur eine Platierung aufzubringen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, in dem Testergebnisse von Abriebsuntersuchungen von Gleitflächen von Kolbenrin gen dargestellt sind;

F i g. 2 ein Diagramm, in dem Ergebnisse von mit den Kolbenringen durchgeführten Abriebstests von Zylinderbohrungen dargestellt sind:

Fig. 3 ein Diagramm, das Ergebnisse von Abriebs tests der Oberseite und Unterseite des Kolbenringes zeigt;

F i g. 4 einen Schnitt durch einen Kolbenring in einer Kolbenringnut, der die Verwerfung des Ringes zeigt;

Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 dargestellte stufenweise Verschleiß der Zylinderbohrung verhindert und zur gleichen Zeit der Abrieb des Kolbenringes reduziert. Darüber hinaus führt die eingespritzte Schicht 12 nicht länger zu e aiem Abrieb der Zylinderbohrung und tritt nicht aus der Ringnut 13 heraus.

In F i g. 6 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, bei der zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Konstruktion auch der innere obere Umfangsrand 15 des Ringelementes 10 abgeschrägt ist. Die Dicke C der Abschrägung des inneren oberen Umfangsrandes 15 beträgt 10 bis 50% der Ringdicke T, und der Winkel Θ, der Abschrägung beträgt 30^c bis 50°. Die Dicke C beträgt vorzugsweise 30% der Ringdicke Γ und der Winkel θ_χ vorzugsweise 45°.

Wenn nur der äußere obere Abschnitt 14 der Kontur des Kolbenrings abgeschrägt wird, wird durch die Montage des mit dem Kolbenring versehenen Kolbens in der Zylinderbohrung der Kolbenring geringfügig verdreht.

15

F i g. 6 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 7 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 8 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 9 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer fünften Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 10 einen Teilschnitt durch einen Kolbenring einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.

Der in Fig.5 dargestellte Kolbenring besteht aus Stahl. Ein Stahlband wird auf einer Seite mit einer Nut 13 versehen, wenn er gezogen wird. Das Stahlband wird danach ringförmig gebogen, so daß die Nut nach außen weist. Danach wird das Band geschnitten. Die durch die vorstehend beschriebenen Vorgänge hergestellten Ringelemente 10 werden in einer zylindrischen Form gestapelt. Die Außenflächen der Elemente werden entzundert. Geschmolzene Metalle, beispielsweise Mo, Ni,

Cr und Fe, werden auf die Ringelemente flammge- 20 so daß die Gleitfläche 11 nach unten gek"?pt wird. Somit spritzt. Danach werden die Außenflächen abgesandet nähert sich das Basismetal! des oberen Abschnitts 14 der bzw. abgeschliffen, so daß das Basismetall der hjnach- Zylinderbohrung, und der obere Abschnitt der Kontur harten Grenzabschnitte der Ringelemente 10 freigelegt der eingespritzten Schicht 12 neigt dazu, mit der Zylinwird. Die Ringelemente werden dann voneinander ge- derbohrung in Kontakt zu treten. Da jedoch bei dieser trennt. Die Umfangs- oder Gleitflächen 11 eines jeden 25 Ausführungsform auch der innere obere Unifangsrand Ringelementes 10 wird zu einer bogenförmig gewölbten 15 abgeschrägt ist, verdreht sich der Kolbenring nicht,

und der mittlere Abschnitt der Kontur der eingespritzten Schicht 12 tritt mit der Zylinderbohrung in Kontakt. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, daß das Kontur, beispielsweise durch Schleifen, zu einer planen 30 Basismetall des oberen Abschnitts 14 mit der Zylinder-Fase 14 abgeschrägt. bohrung in Gleitkontakt tritt. Ferner wird in zuverlässi-

Das untere Ende der Fase 14 endet über dem Mittel- ger Weise ein stufenartiger Verschleiß der Zylinderbohpunkt der eingespritzten Schicht 12. Mit anderen Wor- rung vermieden.

ten, die Breite ßder eingespritzten Schicht 12 beträgt 60 In F ί g. 7 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt,

bis 80% der Ringdicke T, die Dicke A der Fase beträgt 35 bei der der innere obere Urntangsrand 15 Stufenform 30 bis 50% der Dicke T und der Winkel θ der Fase besitzt. In den F i g. 8 und 9 !sind eine vierte und fünfte beträgt 10° bis 45°. Die Dicke A der Fase beträgt insbe- Ausführungsform dargestellt, die jeweils einem halben sondere 30% der Ringdicke T, und der Winkel θ der Trapezring entsprechen. Bei der vierten Ausführungs-Fase liegt insbesondere bei 30°. form besitzt der innere obere Umfangsrand 15 eine AbKolbenringe 'iner Dicke von 1,5 mm wurden in einer 40 schrägung, und bei der fünften Ausführungsform sind Dicke A von 30%, 40% und 50% der Ringdicke und mit sowoh' der innere untere 16 als auch der innere obere einem Winkel θ von 10°. 30° und 45° abgefast. Die Rand 15 mit einer Abschrägung versehen. Bei den Aus-Abriebstiefe der Zylinderbohrung, in der der mit Ring führungsformen der F i g. 7 bis 9 treten ähnliche Effekte versehene Kolben montiert war, wurde unter den glei- auf wie bei der Ausführungsform der F i g. 6. Der innere chen Testbedingungen wie bei den Fig. 1 bis 3 gemes- 45 obere Umfangsrand 15 kann während des Ziehvorgansen. Diese Mrßergebnisse sowie die E.-gebnisse eines ges, durch den das den Ring bildende Band hergestellt herkömmlich ausgebildeten Kolbenringes, der nicht ab- wird, abgeschnitten werden.

geschrägt wurde, sind in der nachfolgenden Tabelle wie- F i g. 10 zeigt eine sechste Ausführungsform. Der in

dergegeben. In dieser Tabelle sind die Abriebstiefen in Fig. 10dargestellte Kolbenring umfaßt ein aus rostfrei-μπι angegeben. Wie aus der Tabelle hervorgeht, weisen 50 em Stahl bestehendes Ringelement 10, das auf seiner die erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenringe im Oberfläche mit einer Salzbadnitrierung behandelt wor-

Kontur geschliffen. Somit verbleibt die fiammgespritzte Schicht 12 aus geschmolzenem Metall nur in der Ringnut 13. Danach wird der obere äußere Abschnitt der

Vergleich zu c"em herkömmlich ausgebildeten Kolbenring, der eine Abriebstiefe von 80 μπι besitzt, wesentlich verringerte Abriebstiefen auf.

A¹Vo	&■	10	30	45
	0
0	80		5	10
i0	—	7	10	14
40	—	7	10	20
50	—

55

60

Durch das Abschrägen des äußeren und oberen Ab-

den ist. Der Kolbenring dieser Ausführungsform wird durch das gleiche Verfahren hergestellt wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Nach dem Flammspritzen werdei jedoch die Ringelemente 10 voneinander getrennt und einer Salzbadnitrierung unterzogen, um über der Oberfläche eine nitrierte Schicht 20 auszubilden. Nach der Saizbadnitrierung wird die Gleitfläche 11 des Rin_oeleinentes 10 zu einer gewölbten Form geschliffen. Die nitrierte Schicht 20 verbleibt dabei auf der oberen Fläche, der unteren Fläche und der inneren Umfangsfläche des Ringelementes VX Danach wird der äußere obere Abschnitt 14 der Kontur abgeschrägt, beispielsweise durch Schleifen. Die erhaltene

Schnitts der Kontur eines Kolbenringes wird verhindert, ₆5 plane Fase erstreckt sici; vom oberen Rand bis in die

daß nahezu das gesamte, auf der Oberseite der Um- eingespritzte Schicht \2. Es ist ausreichend, wenn die

fangs- oder Gleitfläche freiliegende Basismetall mit der nitrierte Schicht 20 auf der unteren Fläche des Ringele-

Zylinderbohrung in Kontakt tritt. Dadurch wird der in mentes 10 ausgebildet wird, da diese Schicht die Ober-

fläche des Elementes 10 härtet. Die Oberflächenhärte betrug Hv 350 bis 450 ohne Salzbadnitricrung und Hv 900 bis 1300 mit Salzbadnitrierung.

Wie vorstehend erwähnt, wird bei dieser Ausführungsform die Oberfläche des Ringelementes 10 einer Salzbadnitrierung unterzogen. Somit wird auf der unteren Fläche N kein stufenförmiger Verschleiß verursacht, wie in Fig. 3 gezeigt. Das in Fig. 4 dargestellte Maß, um das sich der Kolbenring verdreht, wird reduziert, und nahezu kein Teil des am oberen Abschnitt der Gleitfläche 11 freiliegenden Basismetalls führt zu einem Abrieb der Zylinderbohrung 4. Da sich der Kolbenring dieser Ausführungsform ferner vom äußeren oberen Abschnitt 14 bis über einen Teil der eingespritzten Schicht 12, die vom Basismetall konvex verläuft, erstreckt, wird in zuverlässigerweise ein Kontakt zwischen dem Basismetall und der Zylinderbohrung verhindert. Daher besteht keine Möglichkeit eines stufenför-

τη'ισρη Vprsrhlpißp«; Hpr 7vlinHprhrvhriinii

Natürlich können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auch bei einem Trapezring Anwendungfinden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, der in seiner äußeren Umfangsfläche eine Ringnut hat, in die eine Schicht aus geschmolzenem Metal! eingespritzt ist, die mit der Zylinderbohrung im Gleitkontakt steht, wobei der untere Abschnitt der Kontur der Umfangsfläche im Querschnitt bogenförmig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt der Kontur in Richtung auf den Verbrennungsraum eine plane Fase (14) ist, die sich auch über einen Teil der Schicht (12) aus geschmolzenem Metall erstreckt und deren Winkel (Θ) zur Achse des Ringes 10—45° beträgt

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schicht (12) 60—80% der Dicke des Kolbenringes (10) beträgt und daß die plane Fase (14) über 30—50% dieser Dicke verläuft