DE19810309A1 - Druckring, insbesondere Kolbenring für Aluminiumsylinder sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Druckring, insbesondere Kolbenring für Aluminiumsylinder sowie Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckring oder Kolbenring und dabei insbesondere
auf einen zweiten Druckring oder Kolbenring, der an einem Kolben eines
Verbrennungsmotors vorgesehen ist, welcher Aluminiumzylinder verwendet. Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Druck- oder
Kolbenringes.
Im Stand der Technik, wie er z. B. in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr.
246087/1996 und 19757/1997 beschrieben ist, wurden in jüngster Zeit als
Zylindereinsätze für hin- und hergehende Verbrennungsmotoren solche entwickelt, die
aus einer hypereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehen (nachstehend
Aluminiumzylinder genannt), und zwar hergestellt mit Hilfe eines Aluminiumlegierung-Gieß
verfahrens, wobei diese Zylinder exzellente Eigenschaften hinsichtlich Verschleiß,
hinsichtlich eines geringen Verbrauchs an Schmiermittel bzw. Öl, hinsichtlich eines
geringeren Abrieb des Kolbens aufweisen und weiterhin wesentlich zur Entwicklung von
Motoren mit geringem Gewicht beitragen, die zunehmend Verwendung finden.
Einem solchen Aluminiumzylinder benachbart liegt der Kolben, der normalerweise mit
einem Satz bestehend aus drei Kolbenringen versehen ist. Normalerweise umfassen die
drei Kolbenringe einen obersten Ring (Druckring), dessen Oberfläche einer
Nitrierbehandlung bzw. einem Nitrierhärten unterzogen ist, einen zweiten oder
sekundären Druckring, dessen äußere Umfangs-Gleitfläche mit einer Chromplattierung
bzw. mit einer Chromschicht versehen ist, sowie einen Ölring, der als dritter Ring
(Ölabstreifring) vorgesehen ist. Gelegentlich kann, wenn einem Aluminiumzylinder mit
einer speziellen Aluminiumlegierung, beispielsweise mit einer A390-Aluminiumlegierung
benachbart liegend, der aus einem speziellen, beispielsweise feinrissigen Gußeisen ohne
Plattierung hergestellte Druckring auch als zweiter Druckring Verwendung finden.
Der zweite Druckring muß luftdicht sein, um den obersten Ring zu unterstützen, und
muß außerdem ein gewisses Maß an Abstreifeigenschaften besitzen, um auch eine
möglicherweise geringe Menge an Schmiermittel, die der Ölring nicht abgestreift hat,
noch abzustreifen. Aus diesem Grunde sollte bei dem zweiten Druckring der äußere
Umfang dieses Ringes schräg verlaufend, so daß dieser nach unten divergiert, oder mit
einer Schräge mit Hinterschneidung versehen sein, und das unterste Ende der Gleitfläche
sollte mit einer möglichst scharfen Kante versehen sein. Außerdem sollte nach dem Stand
der Technik die Gleitfläche mit einer Chrombeschichtung versehen sein, um axiale Riefen
oder Rillen im Zylinder zu vermeiden, und die schräg geformte Oberfläche sollte poliert
sein, um den Randabschnitt scharf und glatt in der Oberfläche auszuführen. Aus diesem
Grunde war es bei der Herstellung bisher schwierig, sowohl die Abstreifeigenschaften, als
auch die Forderungen nach Vermeidung von Längsrillen oder Riefen in der
Zylinderbohrung zu erfüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen zweiten Druckring zu schaffen, der sowohl die
Abstreifeigenschaften aufweist, als auch die Riefen- oder Rillenbildung an der
Zylinderfläche in Zylinderlängsrichtung vermeidet. Weiterhin ist es Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen zweiten Druckringes aufzuzeigen.
Ein zweiter Druckring für Aluminiumzylinder gemäß der Erfindung ist im Anspruch 1
beschrieben. Dieser Ring ist aus Eisen ohne Plattierung hergestellt. Die äußere Umfangs-Gleit
fläche des Ringes ist entsprechend der Schräge nach unten divergierend ausgeführt.
Der Ring ist dadurch charakterisiert, daß er an dem unteren Ende der äußeren Umfangs-Gleit
fläche einen mit einer entgegengesetzten Neigung nach oben divergierenden
bearbeiteten Bereich mit einer Ausdehnung von weniger als 0,15 mm in axialer Richtung
aufweist. Der Übergang zwischen der äußeren Umfangs-Gleitfläche und diesem mit der
entgegengesetzten Schräge hergestellten Bereich ist geläppt oder poliert.
Ein Verfahren zum Herstellen eines zweiten Druckringes für Aluminiumzylinder
entsprechend der Erfindung ist im Anspruch 2 beschrieben, wobei die äußere Umfangs-
Gleitfläche des zweiten aus Eisen und ohne Plattierung hergestellten Druckringes
entsprechend der Neigung nach unten divergierend ausgebildet ist. Das Verfahren ist
dadurch charakterisiert, daß am unteren Ende der äußeren Umfangs-Gleitfläche des
Ringes mit entgegengesetzter Neigung ein nach oben divergierender Bereich erzeugt
bzw. eingearbeitet wird, und zwar mit einer Erstreckung in axialer Richtung von weniger
als 0,15 mm, wobei durch zylindrisches Läppen der Übergang zwischen der äußeren
Umfangs-Gleitfläche und dem mit der entgegengesetzten Neigung hergestellten Abschnitt
in der Oberfläche behandelt wird.
Ein zweiter Druckring für Aluminiumzylinder entsprechend der Erfindung ist auch im
Anspruch 3 beschrieben, wobei dieser Ring aus Eisen ohne Plattierung hergestellt ist und
die äußere Umfangs-Gleitfläche so geneigt ist, daß sie nach unten divergiert. Der
Druckring ist charakterisiert dadurch, daß die äußere Umfangs-Gleitfläche poliert ist und
das untere Ende der äußeren Umfangs-Gleitfläche für den Oberflächenabschluß geläppt
ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines zweiten Druckringes für Aluminiumzylinder ist
entsprechend der Erfindung auch im Anspruch 4 beschrieben, wobei die äußere
Umfangsfläche des zweiten, aus Eisen ohne Plattierung hergestellten Druckringes geneigt
ist, so daß sie nach unten divergiert. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die
äußere Umfangs-Gleitfläche poliert und im Anschluß daran das untere Ende der äußeren
Umfangs-Gleitfläche für das Finishing oder für den Oberflächenabschluß geläppt wird.
Ein zweiter Druckring gemäß der Erfindung für Aluminiumzylinder ist weiterhin im
Anspruch 5 beschrieben, und zwar hergestellt aus Eisen ohne Plattierung, wobei die
äußere Umfangs-Gleitfläche geneigt ist, so daß sie nach unten divergiert. Der zweite
Druckring ist charakterisiert dadurch, daß die äußere Umfangs-Gleitfläche mit einer
Kunststoff- oder Kunstharzbeschichtung mit einer Dicke von 3 µm oder mehr als 3 µm
versehen ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines solchen zweiten Druckringes für Aluminiumzylinder
ist entsprechend der Erfindung im Anspruch 6 beschrieben, wobei die äußere Umfangs-Gleit
fläche des aus Eisen und ohne Plattierung hergestellten Druckringes aufgrund der
Neigung nach unten divergiert. Das Verfahren ist charakterisiert dadurch, daß eine
Kunstharz- oder Kunststoffbeschichtung mit einer Dicke von 3 µm oder mehr auf die
äußere Umfangs-Gleitfläche aufgebracht wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen zweiten Druck- oder Gas- oder Kolbenring gemäß
einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt eines zweiten Druckringes, entsprechend einer zweiten möglichen
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt eines zweiten Kolbenringes, entsprechend einer dritten möglichen
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 ein Diagramm, welches den Verbrauch an Gleitmittel und auch die vorteilhaften
Effekte der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die Erfindung wird nun im Folgenden mehr im Detail an Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Fig. 1-3 beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der Erfindung, wobei in den
Positionen (a), (b) bzw. (c) jeweils im Teilschnitt das Querschnittsprofil und dessen
Umgebung von einem zweiten Gas- oder Kolbenring R gezeigt sind, der aus Gußeisen
oder Stahl (nachstehend als "Eisen" bezeichnet) hergestellt ist, und zwar ohne einen auf
dem Ring vorgesehenen Überzug oder eine Plattierung. Im einzelnen ist in der Position
(a) ein im wesentlichen trapezförmiges Querschnittsprofil dargestellt, wobei die äußere
periphere Gleitfläche nach unten divergent abgeschrägt ist, d. h. am Übergang zwischen
der äußeren Umfangs- oder Gleitfläche und der oberen Ringfläche eine Schrägfläche
gebildet ist. Die Position (b) zeigt ein annähernd trapezförmiges Querschnittsprofil, bei
dem im untersten Bereich der äußeren Umfangsfläche eine stufenartige Ausnehmung oder
Hinterschneidung vorgesehen ist. Die Position (c) zeigt ein annähernd trapezartiges
Querschnittsprofil, welches mit einer ähnlichen stufenförmigen Ausnehmung versehen ist,
allerdings mit einem nasen- oder hakenartigen Abschnitt (nachstehend auch als
"Hinterschnitt" bezeichnet). Die beschriebene stufenförmige Ausnehmung oder der
beschriebene Hinterschnitt-Abschnitt dient dazu, die Ölaufnahmefähigkeit hiervon zu
vergrößern und die Einstellung des Öldruckes zu kontrollieren und um einen möglichen
Rückfluß an Öl oder Schmiermittel zu verhindern, wenn der zweite Kolbenring Reste von
Gleit- oder Schmiermittel abstreift, die vom unteren Ring nicht abgestreift wurden, wobei
allen Fällen die Schräge der äußeren Umfangs- oder Gleitfläche ähnlich ausgeführt ist.
Aus diesem Grunde wird nun als Beispiel die Ausführung der Position (a) näher erläutert.
Zunächst wird als erster Schritt eine nach unten divergierende schräge Fläche geformt
oder hergestellt, wie dies mit der Bezugsziffer 1 angegeben ist, und zwar durch übliche
Material-Bearbeitung oder material- bzw. spanabhebende Bearbeitung. Als nächster
Schritt wird am unteren Ende der äußeren Umfangs- und Gleitfläche eine Bearbeitung,
z. B. material- bzw. spanabhebende Bearbeitung für eine nach oben divergierende
entgegengesetzte Schräge vorgenommen, wie dies mit der Bezugsziffer 2 angegeben ist,
und zwar in einem Ausmaß, wie dies durch h in axialer Richtung (Richtung nach oben
und unten in der Fig. 1) angegeben ist, d. h. die durch Bearbeitung entsprechend der
Bearbeitungslinie 2 erzeugte, nach oben divergierende Schräge nimmt in axialer Richtung
eine Länge h ein, die bestimmt ist durch:
h = 0,1 +/-15 mm.
Falls h diesen Bereich übersteigt, verschlechtern sich die Ölabstreifeigenschaften und der
Verbrauch an Schmiermittel bzw. Öl steigt an. Dementsprechend ist es nicht erwünscht,
daß h außerhalb des angegebenen Bereiches liegt.
Durch die Anwendung der schrägen, entgegengesetzten Bearbeitung 2 benötigt die nach
unten divergierende schräge Form der äußeren Umfangs- oder Gleitfläche kein spezielles
feines Oberflächen-Finish und kann daher mit einer konventionellen
Oberflächenrauhigkeit ausgestattet sein.
Im Anschluß daran erfolgt ein zylindrischer Läppen 3 für die Nachbearbeitung, und zwar
am Übergang als Anlageabschnitt zwischen der Abschrägung 1 und der
entgegengesetzten schrägen Bearbeitung 2. Schließlich wird der gesamte zweite Druck-
oder Kolbenring an Anlehnung an den Stand der Technik einer Anti-Korrosions
behandlung unterzogen, und zwar beispielsweise durch eine Behandlung zum
Aufbringen einer Phosphatbeschichtung usw., um die Herstellung des Ringes
abzuschließen.
Die Fig. 2 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Erfindung. Die Positionen (a),
(b) bzw. (c) in der Fig. 2 zeigen ähnlich den Positionen der Fig. 1 jeweils im Teilschnitt
den Querschnitt und dessen Umgebung von einem zweiten Druckring R, der ohne
Plattierung aus Eisen hergestellt ist. Hierbei ist in der Position (a) ein annähernd
trapezartiger Querschnitt wiedergegeben, und zwar mit der äußeren Gleitfläche, die nach
unten divergierend geneigt bzw. ausgeführt ist. Die Position (b) zeigt einen annähernd
trapezförmigen Querschnitt, der eine stufenförmig ausgeführte Hinterschneidung an dem
untersten Abschnitt der äußeren Umfangs- oder Gleitfläche aufweist. Die Position (c) zeigt
ein annähernd trapezartiges Querschnittsprofil, welches mit einer ähnlichen, stufenförmig
ausgebildeten Hinterschneidung mit einem haken- oder nasenförmigen Abschnitt
ausgeführt ist. Ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird nun die Ausführung
der Position (a) näher erläutert.
Zunächst wird die äußere Umfangs- oder Gleitfläche hergestellt, und zwar durch übliche
Bearbeitung oder dergl., um eine nach unten divergierend geneigte Oberfläche zu
erreichen. Im Anschluß daran wird die gesamte Umfangs- oder Gleitfläche poliert, wie
dies mit der Bezugsziffer 4 angedeutet ist, um insbesondere eventuelle Materialreste und
Grate, die beim Bearbeiten bzw. Drehen insbesondere auch am unteren Abschnitt der
Außen- oder Gleitfläche auftreten können, zu entfernen. Dieses Polieren schafft eine
glatte Oberfläche mit einer Rauhigkeit von weniger als 6,3 Z an der Gleitfläche.
Im Anschluß daran erfolgt für eine abschließende Bearbeitung am unteren Ende der
Gleitfläche ein zylindrisches Läppen 3. Dann wird der gesamte Ring einer Behandlung für
eine Phosphatbeschichtung unterzogen, um die Herstellung abzuschließen.
Die Fig. 3 zeigt eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich zu der
Darstellung in den Fig. 1 und 2 sind wiederum in Teildarstellung ein Querschnitt und
dessen Umgebung eines zweiten Druck- oder Kolbenringes R wiedergegeben, der aus
Metall ohne Plattierung hergestellt ist. Hierbei ist in der Position (a) ein annähernd
trapzartiges Querschnittsprofil mit der an dieser gebildeten äußeren Umfangs- oder
Gleitfläche gezeigt, die nach unten hin schräg divergiert. Die Position (b) zeigt ein
annähernd trapezförmiges Querschnittsprofil mit einer stufenförmigen Ausnehmung oder
Hinterschneidung am untersten Abschnitt der Außenfläche. In der Position (c) ist ein
annähernd trapezartiges Querschnittsprofil dargestellt, und zwar mit einem
stufenförmigen Hinterschnitt mit einem hakenförmigen Abschnitt. Nachstehend wird
wiederum die Ausführung der Position (a) näher erläutert.
Zunächst wird die äußere Umfangs- oder Gleitfläche bearbeitet, und zwar spanabhebend
durch ein übliches Drehen oder dergl., um die nach unten divergierende Schrägfläche zu
bilden. Weiterhin wird die Gleitfläche dann abschließend bearbeitet durch ein
Flüssigkeits-Honen usw. Im Anschluß daran wird eine Kunststoffbeschichtung mit einer
Dicke von 3 µm oder größer, beispielsweise mit einer Dicke von 5-10 µm auf die
gesamte Gleitfläche aufgebracht, wie dies mit der Bezugsziffer 5 angedeutet ist. Als
Kunststoff für die Beschichtung ist beispielsweise 4-Ethylen-Fluorid-Harz usw. geeignet.
Eine derartige Kunststoffbeschichtung wird dann nach dem Aufbringen gebacken oder
ausgehärtet, um ein festes Anhaften zu erreichen. In diesem Fall ist anschließend ein
Finishing durch Läppen oder eine Phosphat-Beschichtungsbehandlung nicht mehr
erforderlich.
Der sekundäre Druckring mit einer solchen Kunststoffbeschichtung ist dadurch
charakterisiert, daß er eine gute anfängliche Adaption liefert.
In Tests mit laufenden Verbrennungsmotoren, in denen ein zweiter Druckring
entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen an einem Kolben vorgesehen
war, wurden keine Riefen oder Kratzer in der Zylinderwand aus Aluminium festgestellt,
und zwar in keinem der Fälle. In der Fig. 4 ist weiterhin ein Diagramm wiedergegeben,
welches den Verbrauch an Schmiermittel bzw. Öl zeigt, und zwar bei den verschiedenen
Ausführungsformen des zweiten Druckringes im Vergleich zu einem bekannten, mit
Chrom plattierten Ring, dessen Verbrauch mit "1" normiert angegeben ist. Wie die Figur
zeigt, war der Verbrauch an Schmiermittel bzw. Öl bei den jeweiligen zweiten
Druckringen gemäß der Erfindung nahezu gleich dem Verbrauch beim Stand der Technik.
Daher werden entsprechend der Erfindung exzellente Ergebnisse erreicht, d. h. mit der
Erfindung wird ein stabiler zweiter Druckring möglich, der hinsichtlich seiner
Abstreifeigenschaften sowie auch hinsichtlich der Vermeidung von Längsriefen oder
Kratzern in der Wandung von Aluminiumzylindern mit dem Stand der Technik durchaus
vergleichbar ist.
Die Erfindung wurde voranstehend an Beispielen beschrieben. Es versteht sich für einen
Fachmann, daß zahlreiche Änderungen sowie Modifikationen möglich ist, ohne daß
dadurch der Umfang und Schutz der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Die gesamte
Beschreibung der japanischen Anmeldung 60265/1997, die am 14. März 1997
eingereicht wurde, und zwar einschließlich der Beschreibung, den Ansprüchen, den
Zeichnungen und der Zusammenfassung werden hiermit in ihrer Gesamtheit
eingeschlossen und zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
1
Bildung der Schräge
2
Bildung der entgegengesetzten Schräge bzw. Schrägfläche
3
Lappen
4
Schleifen
5
Kunstharzbeschichtung
R zweiter bzw. sekundärer Druck- oder Kolbenring
R zweiter bzw. sekundärer Druck- oder Kolbenring
Claims (6)
1. Druck- oder Kolbenring hergestellt aus Eisen ohne Plattierung auf dem Ring zur
Verwendung bei Aluminiumzylindern, wobei die äußere Umfangs-Gleitfläche des
Ringes aufgrund ihrer Neigung nach unten divergiert, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ring an dem unteren Ende der äußeren Umfangs- oder Gleitfläche einen
umgekehrt schräg nach oben divergierend hergestellten Abschnitt aufweist, dessen
Ausdehnung in axialer Richtung des Ringes kleiner als 0,5 mm ist, und daß der
Übergang zwischen der äußeren Umfangs- und Gleitfläche und dem entgegengesetzt
schräg verlaufenden Abschnitt für den Oberflächenabschluß geläppt oder poliert ist.
2. Verfahren zum Herstellen eines Druck- oder Kolbenringes aus Eisen ohne Plattierung
auf diesem Ring zur Verwendung bei Aluminiumzylindern, wobei die äußere
Umfangs-Gleitfläche aufgrund ihrer Neigung nach unten divergierend ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt das Bearbeiten des unteren
Endes des Ringes in einem axialen Bereich kleiner als 0,15 mm, um eine nach oben
divergierende entgegengesetzte Schräge zu erzeugen, und die abschließende
Oberflächenbehandlung durch zylindrisches Läppen des Übergangs zwischen der
äußeren Umfangs-Gleitfläche und dem hergestellten Abschnitt mit der
entgegengesetzten Schräge.
3. Druck- oder Kolbenring hergestellt aus Eisen ohne Plattierung auf dem Ring zur
Verwendung bei Aluminiumzylindern, wobei die äußere Umfangs-Gleitfläche des
Ringes aufgrund ihrer Neigung nach unten divergiert, dadurch gekennzeichnet, daß
die äußere Umfangs-Gleitfläche poliert ist, und daß das untere Ende der äußeren
Umfangs-Gleitfläche für den Oberflächenabschluß geläppt ist.
4. Verfahren zum Herstellen eines Druck- oder Kolbenringes aus Eisen ohne Plattierung
auf diesem Ring zur Verwendung bei Aluminiumzylindern, wobei die äußere
Umfangs-Gleitfläche aufgrund ihrer Neigung nach unten divergierend ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt das Polieren der äußeren
Umfangs-Gleitfläche und das zylindrische Läppen des unteren Endes der äußeren
Umfangs-Gleitfläche für den Oberflächenabschluß.
5. Druck- oder Kolbenring hergestellt aus Eisen ohne Plattierung auf dem Ring zur
Verwendung bei Aluminiumzylindern, wobei die äußere Umfangs-Gleitfläche des
Ringes aufgrund ihrer Neigung nach unten divergiert, dadurch gekennzeichnet, daß
die äußere Umfangs-Gleitfläche mit einer Kunststoffbeschichtung mit einer Dicke von
3 µm oder mehr als 3 µm versehen ist.
6. Verfahren zum Herstellen eines Druck- oder Kolbenringes aus Eisen ohne Plattierung
auf diesem Ring zur Verwendung bei Aluminiumzylindern, wobei die äußere
Umfangs-Gleitfläche aufgrund ihrer Neigung nach unten divergierend ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunstharzbeschichtung mit einer Dicke von 3 µm
oder von mehr als 3 µm auf die äußere Umfangs-Gleitfläche aufgebracht wird.
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