Kolbenring Die Erfindung bezieht sich auf einen geschlitzten, einstückigen Kolbenring bestehend aus einem Metall- ringkörper, der so gefaltet ist, dass ein Paar von min destens angenähert zueinander parallelen Flächen und ein gebogener Mittelteil entstehen, der sich in der Nachbarschaft der Zylinderwandung, jedoch im Ab stand davon befindet, wobei der Metallringkörper fer ner Trennlinien aufweist, welche zu einer Vielzahl von Segmenten in den parallelen Flächen führen. Be kannte Kolbenringe dieser Art haben den Nachteil,
dass sie aufgrund ihrer Formgebung nicht in die in jüngerer Zeit sich immer mehr durchsetzenden, nur noch niedrigen Rillen im Kolben eingesetzt werden kön nen. Wenn nämlich der Kolbenring aus dem für seine Herstellung notwendigen starken Metallblech hergestellt wird, dann würde ein weiteres Zusammenbiegen des Ringes zur Verringerung seiner Höhenabmessungen zu einem Abbrechen an den Umbiegestellen führen.
Würde man dagegen die Metallstärke verringern, dann hätte der Ring nicht mehr die genügende Steifig- keit, um eine ausreichende Abdichtung zu gewährlei sten. Er würde sich sowohl in Bewegungsrichtung des Kolbens als auch quer dazu verbiegen und damit von der abzudichtenden Wandung in nicht mehr kontrol lierbarer Weise lösen.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu ver meiden.
Der .erfindungsgemässe Kolbenring ist dadurch ge kennzeichnet, dass jedes Segment zur Innenseite des Ringes zur Bildung eines Versteifungssteges für das Seg ment heruntergebogen und dass der Mittelteil als ge rader Tragsteg für die Segmente ausgebildet ist.
Weitere Vorteile des Erfindungsgegenstandes erge ben sich aus der folgenden Einzelbeschreibung von Aus führungsbeispielen anhand der Zeichnung. Die Zeich nungen zeigen in: Fig. 1 eine Teildraufsicht auf ein Stanzstück@ aus dem eine Ausführungsform des erfindungsgeniässen Rin- ges hergestellt wird; Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines ferti gen Ringes gemäss der Erfindung; Fig. 3 einen Schnitt längs der Ebene III 11I der Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines fertigen Ringes gemäss der Erfindung; Fig. S einen Schnitt ähnlich dem nach Fig. 3 zur Wiedergabe einer abgeänderten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Ringes mit verstärkter Seitenab dichtung; Fig. 6 einen Schnitt durch den in eine Ringnut ein gebauten Ring nach Fig. 5; Fig. 7 eine Teildraufsicht auf ein abgeändertes Stanzstück für eine abgeänderte Ausführungsform eines Ringes gemäss der Erfindung;
Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht eines aus dem Stanzstück nach Fig. T hergestellten Ringes; Fig: 9 eine -Teilansicht der inneren Radialfläche des Ringes nach Fig. 8;
Fig. 10 einen Schnitt im wesentlichen längs der Ebene X-X der Fig: 8 zur Wiedergabe des in eine Ringnut eingebauten Ringes; Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Wieder gabe des Wirkungsprinzips der Ringkonstruktion nach den Fig: 7-10; Fig. 12 eine abgeänderte Konstruktion für den Ring nach den Fig. 7-10;
Fig. 13 eine weitere abgeänderte Ausführungsform, die sowohl auf die Ringe nach den Fig. 1-6 als auch auf die Ringe nach den Fig. 7-10 anwendbar ist; und in Fig. 14 einen Schnitt zur Wiedergabe einer abge änderten Ausführungsform, die sich sowohl bei den Rin- gen nach den Fig. 1-6 als auch bei den Ringen nach den Fig. 7-10 anwenden lässt.
Der erfindungsgemässe Ring wird aus einem fort laufenden Materialband hergestellt und im Querschnitt auf sich selbst zurückgefaltet, so dass eine vergrösserte Schlaufe entsteht.
Die äussere Kante dieser Schlaufe liegt in der Nähe der äusseren Radialfläche des Ringes und dient als Stütze, die sich von den Segmenten auf einer axialen Seite des Ringes zu den Segmenten auf der an deren axialen Seite des Ringes erstreckt und diese gegen Druckbelastungen und nach innen gerichtete Durchbie- gung abstützt.
Ausserdem weist eine Ausführungsform des Ringes Segmente auf, deren innerer Teil nach unten zum inneren Ausbuchtungsteil des Ringes umgeschla gen ist, so dass ein L-förmiges Winkelstück entsteht, welches einer Durchbiegung infolge der Umfangszusam- mendrückung des Ringes zu widerstehen vermag.
In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 be zeichnet das Bezugszeichen 10 einen Stanzkörper, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus einem dünnen langen Materialband besteht, der in gleichen Abstän den seitlich verlaufende Öffnungen 11 und 11a aufweist. Diese sind längs der Mittellinie des Stanzkörpers an geordnet. Jede Öffnung 11 und lla ist an einem Ende abgerundet und am anderen Ende angespitzt.
Die ange spitzten Enden abwechselnder Öffnungen oder Schlitze weisen in entgegengesetzte Richtungen, und auf diese Weise unterscheiden sich die Schlitze 11 von den Schlit zen 11a. Von dem angespitzten Ende jedes Schlitzes erstrecken sich bis zu den Randkanten des Stanzkörpers oder wenigstens in die Nähe der Randkanten schmale Anreisslinien 12. Diese können auf einer oder beiden Oberflächen des Stanzkörpers vorgesehen sein. Die Öffnungen 11 und 11a sind voneinander durch längliche Streifen 18 getrennt.
Der Stanzkörper wird nach dem Lochen und An reissen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, in die gewünsch te Querschnittsform gewalzt, erwärmt und abgeschreckt, um ihn brüchig zu machen. Die Anreissmarkierungen 12 werden dann durchgebrochen, um die äusseren ra dialen Kanten des Ringes in eine Vielzahl von Segmen ten 13 zu trennen, die voneinander durch Trennstellen 14 getrennt sind.
Die Segmente auf einer Axialseite des Ringes sind durch das Bezugszeichen 13 und die auf der anderen Seite des Ringes durch das Bezugszeichen 13a angedeutet (vgl. Fig. 2). Der Ring wird dann er neut erhitzt und auf die erforderliche Härte gebracht, gestreckt und gezogen und auf Länge gebracht, um ei nen Körper herzustellen,
welcher beim -Schliessen des Teiles 15 nach Fig. 4 die kreisförmige Gestalt des Rin ges 16 annimmt. Das eben beschriebene Verfahren zur Herstellung eines solchen Ringes lässt sich beispiels weise aus der US-Patentschrift 2 668 131 entnehmen.
Selbstverständlich kann man auch andere Verfahren zur Formung des Ringes im Zusammenhang mit der vorlie genden Erfindung verwenden, da sich die Erfindung auf die Form des Ringes und weniger auf das Verfah ren, durch das er hergestellt wird, richtet.
Bei der Herstellung des Ringes 20 nach Fig. 2 wird der Stanzkörper 10 nach Fig. 1 zuerst umgefal tet; so dass ein Teil entsteht, der sich nach unten zum inneren radialen Bogenteil des Ringes erstreckt. Das Material wird dann auf sich selbst zurückgefaltet, so dass eine sich radial und nach aussen erstreckende Schlaufe 21 von beträchtlichen Abmessungen entsteht. Der Rest des Materials wird dann so gefaltet, dass er sich axial erstreckt, um den Rest des inneren radialen Bogenteils herzustellen, und dann nach aussen und radial gerichtet, um die untere Seite des Ringes zu gestalten.
Dort, wo die Seiten des Ringes zur Herstellung der Schlaufe 21 umgebogen werden, entsteht ein Paar klei nerer Schlaufen 22 und 23. Diese Schlaufen liegen in der Nähe des inneren radialen Bogenteiles des Ringes.
Die Schlaufen 22 und 23 können solche Abmes sungen aufweisen, dass sie den gesamten inneren Bogen teil des Ringes einnehmen, wie es aus Fig. 3 zu entneh men ist, sie können aber auch kleiner sein, so dass ein Spalt 28 entsteht, durch welchen sich die äussere radiale Schlaufe 21 über die Innenfläche des Ringes öffnet, wie man aus Fig. 13 erkennt.
Unabhängig von der verwendeten Konstruktion ist die axiale Höhe der äusseren Schlaufe 21 derart, dass in der Nachbarschaft des äusseren radialen Teiles des Ringes die Seiten der Schlaufe entweder die Innenseitenoberflächen der Seg mente 13 und 13a berühren, oder sich soweit annähern, dass der Spalt zwischen der Schlaufe und den Segmen ten einen Betrag von 0,1-0,15 mm nicht überschrei tet. Die radiale äussere Wandung 24, die das Ende der Schlaufe 21 definiert, bildet für alle praktischen Zwek- ke eine geradlinige Stütze, die sich axial zwischen den Segmenten 13 und 13a erstreckt.
Als solche bildet sie eine starre Unterstützung zur Aufnahme und Abstüt zung dieser Segmente an einer Stelle, die sehr nahe an ihren freien Enden liegt. Es entsteht eine zwangsläufi ge Begrenzung für die Bewegungsfreiheit der Segmente aufeinanderzu. Unabhängig davon, ob die Schlaufe 21 geschlossen oder offen am inneren radialen Bogenteil ist, wie es durch die Fig. 3 und 13 einander gegenüber gestellt wird, hat diese Ausbildung keinerlei Einfluss auf die tragende Wirkung der Wandung 24. Gerade diese Stützwandung liefert einen Ring mit grosser Wider standsfähigkeit gegen Druckbelastungen.
Man erhält al so einen einstückigen Kolbenring mit einem Hauptteil mit einstückigen oberen und unteren in Segmente un terteilten Seitengliedern, wobei ein Teil des Hauptteiles so umgefaltet ist, dass eine axiale Abstützung für die Segmente an ihrer Berührungsstelle mit der Zylinder wandung entsteht. Auf diese Weise wird jedes einzel ne Segment abgestützt. Man erkennt, dass die Wandung 24 als Abstützung an der Stelle der maximalen Druckbelastung des Rin ges dient. Diese Stelle befindet sich unmittelbar an der Stelle der Berührung zwischen Ring und Zylinderwan dung.
Man erhält deshalb eine zwangsläufige und enge Abstützung für die schabenden Flächen des Ringes, wo sie dem Zug ihrer Gleitbewegung längs der Zylinder wandung ausgesetzt sind. Diese Abstützung befindet sich unmittelbar in der Nähe des Spieles zwischen Kol ben und Zylinderwandungen, wo irgendwelche durch die austretenden Verbrennungsgase erzeugten Druckbela stungen grundsätzlich ihre maximale Druckkraft auf den Ring übertragen. Die Abstützung der Segmente erfolgt auch gegen die maximale Biegewirkung, die durch Träg heitskräfte und Momente entsteht, weiche sich aus der Hin- und Herbewegung des Kolbens ergeben.
Sie ver meidet ferner die Vervielfachung der Biegekräfte, die sich bei Fehlen einer solchen Abstützung daraus erge ben, dass die Segmente nur am extremen inneren Ra dialteil des Ringes befestigt sind. Ohne die abstützende Wandung 24 werden die Belastungen am tatsächlichen Ende dieses langen Hebelarmes aufgebracht, wo das aus diesen Belastungen resultierende Moment am grössten ist.
Man erkennt aus Fig. 2, dass jedes der Segmente 13 und 13a mit einem Paar von Streben 25 verbun den ist. Diese Streben werden durch die Bänder 18 ge bildet, welche zwischen den Öffnungen 11 und 11a im Stanzkörper verbleiben. Da die Segmente 13 über den Umfang gegenüber den Segmenten 13a versetzt sind, ist jede mit einem der Segmente 13 einstückige Strebe 25 auch einstückig mit einem anderen der Segmente 13a. Gerade diese Streben, welche in die Krümmung verformt werden, erzeugen die Schlaufen 21, 22 und 23 zusammen mit der tragenden Stütze 24.
Um eine aus reichende Materiallänge zur Erzeugung dieser Schlau fen vorzusehen, weisen diese Streben 25 eine beträcht liche Länge auf.
Die Streben dienen als Federn, die dem Ring eine ausreichende Flexibilität verleihen. Infolge ihrer Län ge ist die Flexibilität des Ringes stark vergrössert, da die Feder selbst beträchtlich länger als die Ringe be kannter Konstruktionen sind. Dieses Merkmal ist als weiche Feder bekannt. Während es eine Vergrös- serung der radialen Durchbiegung des Ringes für einen gegebenen radialen Spannungswert erlaubt, hat der Ring eine vergrösserte Freiheit sich den Zylinderwandungen anzupassen und damit eine dichte und wirksame Ab dichtung zu erzielen.
Dieses Weichmachen der Feder charakteristik des Ringes schwächt den Ring nicht we gen der Existenz der Stützen 24, die eine zwangsläufige axiale Abstützung der Segmente zur Folge haben.
Die Fig. 7 bis 10 zeigen eine Abänderung des Er findungsgegenstandes. Auch in diesem Falle besteht der Stanzkörper 30 aus einem dünnen bandartigen Ma terial. Er weist ebenfalls im gleichen Abstand angeord nete, längliche, schlitzartige Öffnungen 31 und 32 auf, die voneinander durch längliche Streifen getrennt sind.
Die Öffnungen oder Schlitze 31 und 32 ähneln den öff- nungen oder Schlitzen 11 und 11a. Ähnlich wie die öff- nungen 11 und 11a weisen die Öffnungen 31 und 32 ein gerundetes und ein keilförmiges oder angespitztes En de auf, wobei die spitzen Enden der Schlitze 31 den spitzen Enden der Schlitze 32 entgegengesetzt gerichtet sind. Die Schlitze 31 und 32 sind abwechselnd längs des Stanzkörpers angeordnet.
Unähnlich den Schlitzen 11 und lla sind die Schlitze 31 und 32 quer zum Stanzkörper gegeneinander versetzt. Auf diese Weise liegen die Schlitze 31 näher an der einen Randkante des Stanzkörpers, während die Schlitze 32 näher an der gegenüberliegenden Randkante des Stanzkörpers an geordnet sind. Man erhält somit eine Art von Zick- Zack-Muster, so dass die Schlitze nicht zur Mittellinie des Stanzkörpers zentriert sind.
Um den Stanzkörper 30 zu einem Kreisring in der Art des Ringes nach Fig. 4 zu verformen, werden die selben Verfahrensschritte und Faltvorgänge vorgenom men, wie sie im Zusammenhang mit dem in Fig. 2 wie dergegebenen Ring 20 .erläutert wurden. Der fertige Ring 33 ist aus Fig. 8 teilweise zu entnehmen. Seine Querschnittsform ist, soweit sie den Verlauf der Stre ben 34 betrifft, identisch mit derjenigen des Ringes 20. Jedoch ändert die Versetzung des Schlitzes 31 und 32 wesentlich die Natur der Segmente 35 und 35a.
Statt dass die Segmente in den Seiten des Ringes enden, er strecken sich ihre inneren Radialteile nach unten zum inneren Bogenteil des Ringes und in den inneren Teil der Seiten der Hauptschlaufe 21 (Fig. 10). Auf diese Weise ist jedes Segment nicht mehr einfach ein flacher Materialstreifen, sondern bildet für alle praktischen Zwecke einen L-förmigen Winkel. Auf diese Weise wird jedes Segment wesentlich verstärkt.
Fig. 11 zeigt die Änderung im Prinzip, die durch diese Änderung der Konstruktion .eingeführt wird. Der obere Teil gibt Segmente üblicher Bauart d. h. ein fla ches Materialstück, wieder, auf das die Druckbelastun gen A vom Ende her und die Biegebelastungen B gegen die breiten Oberflächen aufgebracht werden. Die Druck belastungen werden durch den Umfangsdruck auf den Ring beim Schliessen und Einsetzen in den Zylinder erzeugt. Diese Belastungen müssen aufgebracht werden, um die radiale Spannung zu erzeugen, die notwendig ist; damit der Ring richtig arbeitet.
Diese Druckkräfte führen zu einem Ausbeulen der flachen plattenartigen Konstruktion, die charakteristisch für den Stand der Technik ist. Reichen sie nicht aus, um dieses Ausbeu len hervorzurufen, so wirken sie doch mit den Biege kräften zusammen, die senkrecht zu den breitesten Oberflächen aufgebracht wurden, und vergrössern die Neigung zum Ausbeulen und Durchbiegen, so bald die se Biegebelastungen zur Einwirkung kommen. Diese Belastungen werden durch das Reiben des Ringes an den Zylinderwandungen und durch die Druckkräfte der Gase, denen der Ring ausgesetzt ist, aufgebracht.
Aus- serdem kommt die Knickwirkung der Momente und Trägheitskräfte hinzu, die jeweils am Ende des Hubes entstehen.
Der untere Teil der Fig. 11 zeigt, wie die Segmente gemäss der Erfindung ausgebildet sind und wirken. Man erkennt, dass jedes Segment nunmehr längs einer Kante einen Flansch oder Rand rechtwinklig zum flachen, plattenartigen Teil aufweist. Dieser winkelförmige Teil versteift das gesamte Segment. Er vergrössert wesent lich die Fähigkeit des Segments, den Umfangsdruck kräften A zu widerstehen. Er verstärkt ausserdem die Fähigkeit des Segments, den axial aufgebrachten Biege belastungen B zu widerstehen.
Gleichzeitig wird die Flexibilität des Ringes nicht merklich nachteilig beein flusst, weil die Querschnittsgestalt des Ringes eine Fe der solcher Länge aufrechterhält, dass trotz der Starr heit des Segmentes selbst der Ring als Ganzes ausser- ordentlich flexibel ist und damit für einen bestimmten radialen Spannungswert gut anpasst. Wegen dieser be sonderen Ringkonstruktion mit ,einem so starken Aus- - mass an Weichfedereffekt ist es möglich,
die Länge des Segmentes zu vergrössern. Man kann deshalb jede zwei te oder dritte Anreisslinie 12 statt jede dieser Anreiss- linien unterbrechen. Dadurch wird wesentlich die An zahl der Teile über den Umfang des Ringes herabge setzt und damit auch die Anzahl der Öffnungen, durch die Schmiermittel oder Gase über die vom Ring er zeugte Dichtung austreten können.
Die Fig. 5, 6 und 12 zeigen das Merkmal, dass einer der Ringe 33a oder 40 mit verstärkter Seitenab- dichtungswirkung konstruiert werden kann. Diese Ringe weisen bei der anfänglichen Verformung in- ihre Quer schnittsgestalt leicht divergierenden Seiten auf, so dass der Ring eine schwache Keilform erhält.
Wird der Ring in die Ringnut - wie aus Fig. 6 ersichtlich - einge setzt, dann werden die Segmente und damit die ganzen Seitenteile des Ringes etwas zusammengedrückt. Dies sichert einen zwangsläufigen Seitenabdichtkontakt mit den anderen Kanten der Ringnut ohne Störung der Frei heit des Ringes, sich in radialer Richtung zur An- passung an die Form der Zylinderwandungen zu ver schieben.
Man erkennt aus Fig. 5, dass ein kleiner Spalt 41 zwischen den Enden der Stütze 24 und den Innen oberflächen der Segmente 13 und 13a vorgesehen ist. Dieser Spalt wird entweder vollständig oder vorzugs weise wenigstens annähernd geschlossen, wenn der Ring in die Ringnut 42 (vgl. Fig. 6) eingesetzt wird. Dieser Spalt an der Verschlusstelle hat Abmessungen von an- nähernd 0,025 mm.
Fig. 12 zeigt das gleiche Prinzip divergierender Ring seitenteile wie in den Fig. 5 und 6, jedoch in An wendung auf einen Ring nach Fig. B. Der Ring 33a er hält somit den Seitenabdichtungseffekt wegen des zwangsläufigen Sitzes an der Aussenkante der Ringnut und den Versteifungs- oder Balkeneffekt der tieferen Segmente 35 und 35a. Er erhält ferner eine besonders starre Abstützung durch die Stütze 24.
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, Ringe nach den Fig. 5, 6 und 12 ohne tatsächliche Zusammenpressung der Ringseitenteile einzubauen. Selbst unter diesen Umständen bewirkt die Divergenz der Seitenteile eine merkliche Verbesserung im Seiten abdichteffekt, da die Neigung die Segmente weiter ge gen axiales Verbiegen verstärkt.
Fig. 14 zeigt eine Konstruktion, bei der die Segmen te durch Aufsetzen einer Rippe 50 in der Nähe der Aussenkanten weiter verstärkt sind. Somit weist der Ring 51 selbst steifere Segmente, soweit die Widerstands- fähigkeit gegen Druckkräfte betroffen ist, auf, als die anderen Ringe, ohne dass die Federwirkung beein trächtigt wird. Man erkennt, dass die Verstärkungsrip pen auf den Segmenten 35b und 35c bei allen Ring konstruktionen die hier beschrieben worden sind, ange wendet werden können.
Durch die Erfindung wird ein neues Grundprinzip eines einstöckigen Ringes geschaffen, dessen mit der Zylinderwandung in Eingriff kommende Seitenteile in viele unabhängige Segmente unterteilt sind, die jeweils in Achsrichtung abgestützt sind. Durch die Erfindung wird ferner eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der dies bei einem einstöckigen Ring möglich ist.
Darüber hinaus offenbart die Erfindung zum ersten Mal eine axiale Abstützung zur Steuerung des Flatterns des Seg mentes bei einem einstöckigen Ring: Durch den erfindungsgemässen Ring wird ein be deutender Fortschritt bei der Konstruktion von Ölrin- gen erzielt.
Der Ring weist eine zwangsläufige Kontrol le des axialen Abstandes der Segmente auf. Damit wird der Seitenabdichtungseffekt des Ringes wesentlich ver bessert. Ohne Verlust an Festigkeit wird der Ring we sentlich flexibler oder nachgiebiger wegen der vergrös- serten Länge der Feder. Dies erfolgt ohne Beeinträch- tigung der Ringfestigkeit oder der radialen Spannungs- Charakteristik des Ringes.
Man erhält einen Ring mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Durchbiegen und Ausbeulen der Segmente. Da die Segmente zwangsläufig gegen axiale Druckbeanspruchung des Rin ges abgestützt und gegen ein Durchbiegen oder Aus beulen unter Einwirkung von Umfangsdrücken verstärkt sind, kann man für den Ring selbst ein dünneres Ma terial verwenden. Dadurch werden die Kosten und das Gewicht des Ringes vermindert.
Die Verminderung im Gewicht führt zu einer Verringerung der Grösse der Trägheitskräfte und Momente, denen der Ring wäh rend des Betriebes ausgesetzt ist. Dadurch werden wie derum die Ausbiegungseffekte auf den Ring beim Ent stehen dieser Kräfte herabgesetzt.
Selbstverständlich sind die gezeichneten und be schriebenen Ausführungsformen nur Beispiele für das Erfindungsprinzip.