Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung. Die bekannten Kolbenringe sind so be schaffen, dass der Radialdruck auf dem Um fang des Ringes überall möglichst gleich mässig ist. Die Erfindung hat einen unrunden Kol benring zum Gegenstand, und zwar einen Kolbenring, dessen unrunde Form der Be dingung entsprechen soll, dass die Pbadial- driielverteilung des gespannten Ringes auf dessen Umfang in bestimmter Weise ungleich mässig ist.
Nach der Erfindung ist zur Er zeugung der gewünschten Ungleichmässigkeit der Radialdruckverteilung des gespannten Kolbenringes der Durchmesser des im Spann band zusammengezogenen Ringes über den Stoss gemessen grösser als der in die Kreisform gebrachte Ring, und es befindet sieh in den beiderseits der Ringriickenmitte liegenden Quadranten syminetriseh zur Ringrfiekeninitte je eine Stelle, an des der Krüminungsradius des zusammengezogenen Ringes gleich dem Krümmungsrad'ius des in die Kreisform ge brachten Ringes ist.
Die beiden symmetrisch in den genannten Quadranten liegenden Punkte, in denen der Krümmungsradius des Ringes dem. Krümmungsradius des Zylinders entspricht, können in den Schnittpunkten der Achse liegen, die senkrecht zu der durch den Stoss gelegten Achse steht. Sie können aber auch innerhalb der beiden untern Quadranten nach der Ringrückenmitte zu, wiederum sym metrisch, verschoben sein. Zweckmässig liegen die Punkte symmetrisch zwischen 48 und 58 Entfernung von der Ringrückenmitte.
Unter dem Zusammenziehen des Kolben ringes im Spannband' versteht man das Ein legen des gespreizten Ringes in ein elastisches Baud aus Federstahl oder dergleichen, das darauf so weit zu einer Schlinge zusammen gezogen wird, dass sich die Stossenden des Kolbenringes gerade berühren oder höchstens so viel Spiel haben, wie es im Betriebszustand auftritt. Das Mass, um das das Spannband zusammengezogen wird, gilt üblicherweise zur Feststellung des vom Kolbenring auf die Zylinderwand ausgeübten Gesamtradial druckes.
Der Kolbenring nimmt im Spann band infolge dessen Elastizität eine andere Form ein als im Zylinder; im Zylinder ist der Kolbenring naturgemäss kreisrund, im Spannband hat der Kolbenring dagegen die beanspruchte Unrundform.
Das Verfahren zur Herstellung des erfin dungsgemässen Kolbenringes zeichnet sich da- durch axis, dass aus einem rund gedrehten und sodann aufgeschnittenen Modellring eine Schablone gefertigt wird, indem der Quer schnitt des Modellringes zur Erzeugung einer bestimmten Radialdruckverteihlng des herzu stellenden Kolbenringes stellenweise verändert und der Ring sodann mit einer der Summe der Radialdruckkräfte des herzustellenden Ringes entsprechenden Kraft gespreizt wird,
worauf aus dem nach der Schablone im Kopierverfahren gedrehten unruhden Ring das der Spreizung entsprechende Stück her ausgeschnitten wird.
In der Zeichnung ist beispielsweise eine Ausführungsform eines Kolbenringes nach der Erfindung in Aufsicht dargestellt und im fol genden wird ein Ausführungsbeispiel. des Ver fahrens nach der Erfindung erläutert.
Die unrunde Form des Ringes ergibt sich aus der Anweisung, dass der durch den Stoss 1. des im Spannband zusammengezogenen Ringes 2 gelegte Durchmesser d grösser ist als der Durchmesser des in Kreisform gebrachten Ringes und dass sich in den zu beiden Seiten der Ringrückenmitte 3 gelegenen Quadranten Q und P symmetrisch zur Ringrückenmitte Stellen 4, 5.
befinden, in denen der Krüm- mungsradius 7- gleich dem Krümmungsradius des in Kreisform gebrachten Ringes ist. Die Winkel betragen vorteilhaft 48 bis 58 .
Die sich ergebende unrunde Form des Kol benringes kann durch Drehen, Schleifen oder Fräsen auf sogenannten Kopierwerkzeug maschinen hergestellt werden. Dabei arbeitet man nach einem Modell, das der Form. des freiliegenden, d. h. am Stoss gespreizten, ferti gen Ringes entspricht. Die ,sich spreizenden Stossenden des fertigen Ringes werden auf dem Modell durch ein Füllstück überbrückt.
Würde man nun nur den Aussenumfang dieser Kolbenringe unrund drehen, die Ringe nach dem Herausschneiden des die Stoss öffnung überbrückenden Stückes zusammen spannen und nun rund ausbohren, dann treten beim Zusammendriicken der Ringe in einer Matrize so hohe Spannungen im Ring auf, dass sich bleibende Verformungen ergeben. Solche Ringe haben nach dem Ausbohren bereits einen Teil ihrer Spannung verloren.
Um die Spannung der Kolbenringe voll zu erhalten, sind diese auch innen unrund aus gebildet, und zwar vor dem Herausschneiden des die Stossentfernung darstellenden Ring stückes. Man kann dann sowohl dis Aussen- als auch das Innen-Formdrehen zur gleichen Zeit durchführen, ohne dass man den Kolben ring aus seiner Spannvorrichtung löst.
Zur Herstellung des unrunden Kolben ringes wird' eine Schablone benutzt. Eine Kolbenringschablone muss die Form haben, die der nach dem Einbau kreisrunde Ring vor seinem Einbau besitzt. Schneidet man einen aussen und innen rund gedrehten Ring auf und belastet man ihn durch zwei tangential. am Stoss in Aufspreizriehtung an greifende Kräfte, dann nimmt der Ring die Gestalt an, die er haben müsste,
wenn eine allseitig gleichmässig verteilte Last von der zweifachen Gesamthöhe der beiden Aufsprei- zung*skr äfte ihn wieder in die Kreisform zu- saminendriicken soll. Die zum Aufreissen des Stosses benötigte Kraft entspricht also der Summe der auf den ganzen Ringumfang gleichmässig verteilten Radialdrücke. In dieser Weise kommt man ohne Berechnung zu einer Schablone, nach der man auf einer Kopier drehbank weiter Ringe herstellen kann.
Soll nun der Radialdruck nach einem andern Gesetz verteilt und am Stoss höher als an den sonstigen Umfangsstellen des Ringes sein, so kann man dennoch von dem vor stehend beschriebenen Modellring als Scha blone ausgehen, wenn man beachtet, dass die gewünschte Radialdruckverteilting des Werk- stückes durch eine Schwächung oder Verstär kung des Querschnittes des Modellringes an einzelnen Umfangsstellen ohne weiteres her vorgerufen werden kann.
Von den vorstehend dargelegten über legungen ausgehend wird die Herstellung des Kolbenringes in der Weise vorgenommen, dass aus einem rund gedrehten und sodann aufge- selinittenen Modellring eine Schablone gefer tigt wird, indem der Querschnitt des Modell ringes zur Erzeugung einer bestimmten Radia.ldruckverteilung des herzustellenden Kolbenringes stellenweise verändert und der Modellring sodann mit einer der Summe der Radialdruckkräfte der herzustellenden Ringe entsprechenden Kraft gespreizt wird.
Für die Erreehnilng der zum Spreizen des Modell ringes notwendigen Kraft kann man die beider seits der dem Stoss des Ringes gegenüberliegen den Ringrückenmitte Fliegenden Ringhälften als gekrümmte, einseitig eingespannte Stäbe auf fassen, die auf ihrer ganzen Länge von Kräf ten belastet sind.
Da bei Kolbenringen mit nicht gleichmässiger Anpressung über den Um fang der Ungleichförmigkeitsgrad der Radial druckverteilung verhältnismässig gering ist, kann ferner für die Rechnung angenommen werden, dass das maximale Biegemoment M in der Ringrückenmitte ebenso gross ist wie bei einem Ring mit gleichmässiger Verteilung des Anpressdruckes. Es kann also angenommen werden, dass die als gekrümmter, einseitig eingespannter Stab zu betrachtende Ring hälfte auf ihrer ganzen Länge von einer gleichmässigen Flächenpressung p belastet ist.
Wird mit a die axiale Ringhöhe und mit d der Durchmesser des Ringes bezeichnet, und wird berücksichtigt, dass bei einem halbkreisförmig gekrümmten Trä ger der wirksame Hebelarm gleich dem Durchmesser d ist und die Summe aller ihn belastenden Kräfte ebenso wirkt wie eine Ein zelkraft a <I>- p - d,</I> die mit einem Hebelarm von der Länge des halben Durchmessers
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an- greift, so ergibt sich demnach:
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Das gleiche Biegemoment soll die an jedem Stossende des Kolbenringes zum Spreizen des Ringes erforderliche Tangentialkraft T erzeu gen.
Für diese Tangentialkraft gilt demnach
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Darauf werden nach der so hergestellten Schablone im Kopierverfahren die Ringe ge dreht und aus den entstehenden unrunden Ringen das der Spreizung entsprechende Stück herausgeschnitten.
Ein Kolbenring, der in dieser Weise als sogenannter unrunder Kolbenring hergestellt worden ist und alsdann die genannte Radial druckverteilung im gespannten Zustand auf weist, hat den bekannten Kolbenringen gegen über erhebliche technische Vorteile.
Durch den höheren Radialdruck des Ringes am Stoss und durch den Ausgleich dieses Überdruckes zu beiden Seiten der Ringrückenmitte wird das bei kritischen Drehzahlen auftretende Durch- blasen von Verbrennungsgasen zwischen Ring und Zylinderwand sicher verhindert. Die da bei bisher beobachteten Brüche werden ver mieden. Schliesslich wird dem Einfallen der Stossenden, das einem im Betrieb vielfach beobachteten Spannungsverlust an dieser Stelle entspricht, entgegengewirkt.
Piston ring and process for its manufacture. The known piston rings are created so that the radial pressure on the circumference of the ring is as uniform as possible everywhere. The object of the invention is a non-circular piston ring, namely a piston ring whose non-circular shape should correspond to the condition that the Pbadialddriiel distribution of the tensioned ring is unevenly over its circumference in a certain way.
According to the invention, in order to generate the desired irregularity in the radial pressure distribution of the tensioned piston ring, the diameter of the ring contracted in the tensioning band is measured over the joint greater than the ring that has been brought into the circular shape, and it is located in the quadrants on both sides of the center of the ring ring that are symmetrical to the center of the ring one point each at which the radius of curvature of the contracted ring is equal to the radius of curvature of the ring brought into the circular shape.
The two points lying symmetrically in the aforementioned quadrants, in which the radius of curvature of the ring corresponds to the. Corresponds to the radius of curvature of the cylinder, can lie at the intersection of the axis, which is perpendicular to the axis laid by the joint. But they can also be shifted symmetrically towards the center of the ring back within the two lower quadrants. It is practical if the points lie symmetrically between 48 and 58 distance from the center of the ring back.
The contraction of the piston ring in the tightening strap means the insertion of the expanded ring into an elastic baud made of spring steel or the like, which is then pulled together into a loop so that the butt ends of the piston ring just touch each other or at most as much play as it occurs in the operating state. The amount by which the tensioning band is pulled together usually applies to determining the total radial pressure exerted by the piston ring on the cylinder wall.
The piston ring takes a different shape in the tension band than in the cylinder due to its elasticity; In the cylinder, the piston ring is naturally circular, whereas in the tension band the piston ring has the claimed non-circular shape.
The method for producing the piston ring according to the invention is characterized in that a template is made from a model ring that has been turned round and then cut open by changing the cross-section of the model ring in places to generate a certain radial pressure distribution of the piston ring to be produced and then changing the ring is spread with a force corresponding to the sum of the radial pressure forces of the ring to be produced,
whereupon the piece corresponding to the spread is cut out of the balance ring, rotated according to the template in the copying process.
In the drawing, for example, an embodiment of a piston ring according to the invention is shown in plan view and in the fol lowing an embodiment. the process according to the invention explained.
The non-circular shape of the ring results from the instruction that the diameter d created by the joint 1. of the tightened ring 2 is greater than the diameter of the circular ring and that it is in the quadrants on both sides of the ring back center 3 Q and P symmetrical to the center of the ring back, positions 4, 5.
in which the radius of curvature 7- is equal to the radius of curvature of the ring that has been brought into a circular shape. The angles are advantageously 48 to 58.
The resulting non-round shape of the Kol benringes can be produced by turning, grinding or milling on so-called copying machine tools. One works according to a model, that of the form. of the exposed, d. H. at the joint spread, finished ring corresponds. The spreading joint ends of the finished ring are bridged on the model by a filler piece.
If you only turn the outer circumference of these piston rings out of round, clamp the rings together after cutting out the piece bridging the joint and then drill them out round, then when the rings are pressed together in a die, the tensions in the ring are so high that permanent deformations result . Such rings have already lost some of their tension after being bored out.
In order to fully maintain the tension of the piston rings, they are also formed out of round on the inside, before cutting out the piece of the ring representing the joint distance. You can then perform both the external and the internal form turning at the same time without loosening the piston ring from its clamping device.
A template is used to manufacture the non-circular piston ring. A piston ring template must have the shape that the circular ring after installation has before it is installed. Cut open a ring that is turned round on the outside and inside and load it tangentially with two. forces acting on the joint in spreading direction, then the ring takes on the shape it should have,
if a load, evenly distributed on all sides, twice the total height of the two spreading forces, is supposed to push it back into the circular shape. The force required to tear open the joint therefore corresponds to the sum of the radial pressures evenly distributed over the entire circumference of the ring. In this way you get a template without calculation, according to which you can produce rings on a copy lathe.
If the radial pressure is now to be distributed according to a different law and to be higher at the joint than at the other circumferential points of the ring, one can still assume that the model ring described above is used as a template, provided that the desired radial pressure distribution of the workpiece is achieved a weakening or reinforcement effect of the cross-section of the model ring at individual circumferential points can easily be called forth.
On the basis of the considerations set out above, the production of the piston ring is carried out in such a way that a template is made from a model ring that has been turned round and then mounted, by using the cross-section of the model ring to generate a certain radial pressure distribution of the piston ring to be produced changed in places and the model ring is then expanded with a force corresponding to the sum of the radial pressure forces of the rings to be produced.
In order to achieve the force required to expand the model ring, the ring halves that are on both sides of the center of the ring spine opposite the joint can be grasped as curved, unilaterally clamped rods that are loaded with forces over their entire length.
Since the degree of irregularity of the radial pressure distribution is relatively low in piston rings with non-uniform contact pressure over the circumference, it can also be assumed for the calculation that the maximum bending moment M in the center of the ring back is just as great as in a ring with uniform contact pressure distribution. It can therefore be assumed that the ring half, which is to be regarded as a curved rod clamped on one side, is loaded by a uniform surface pressure p over its entire length.
If a denotes the axial ring height and d the diameter of the ring, and it is taken into account that the effective lever arm of a semicircular carrier is equal to the diameter d and the sum of all forces acting on it acts as well as an individual force a <I > - p - d, </I> those with a lever arm half the length of the diameter
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attacks, the result is:
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The same bending moment should produce the tangential force T required at each joint end of the piston ring to expand the ring.
The following applies to this tangential force
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The rings are then rotated using the copying process according to the template produced in this way and the piece corresponding to the spreading is cut out of the resulting non-circular rings.
A piston ring which has been produced in this way as a so-called non-circular piston ring and then has the said radial pressure distribution in the tensioned state has considerable technical advantages over the known piston rings.
The higher radial pressure of the ring at the joint and the equalization of this overpressure on both sides of the center of the ring back prevent combustion gases from being blown through between the ring and the cylinder wall at critical speeds. The breaks observed so far are avoided. Finally, the collapse of the impact ends, which corresponds to a voltage loss often observed at this point during operation, is counteracted.