Einstückiger, geschlitzter Kolbenring Die Erfindung betrifft einen einstückigen, geschlitz ten Kolbenring, bestehend aus einem mehrfach in ra- dialer Ri'ch'tung hin.- und. rückgefalteten Metallblech- ring mit einer oberen und einer unteren Ringrillenkon- taktfläche, die durch Stege miteinander verbunden sind,
welche einen zu den Kontaktflächen senkrechtstehenden Mittelteil aufweisen und durch querverlaufende Verbin dungselemente miteinander verbunden sind.
Ein Kolbenring dieser Art ist in der amerikanischen Patentschrift 2 591 190 gezeigt und beschrieben.
Der erfindungsgemässe Kolbenring ist gegenüber diesem bekannten Stande der Technik dadurch ge kennzeichnet, dass die Verbindungselemente im Be reich zwischen dem Stegmittelteil und der Biegung zur Kontaktfläche liegen.
Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen: Fig. 1 eine Teilansicht eines Rohlings zur Herstel lung eines erfindungsgemässen Kolbenringes; Fig. 2 eine Teildraufsicht auf den fertigen Ring; Fig.3 einen Schnitt durch den Ring im wesentli chen längs der Ebene 111-III der Fig. 2; Fig.4 eine schematische Draufsicht auf einen er- findungsgemässen Ring;
Fig. 5 ,eine schematische Draufsicht auf einen Roh- ling zur Herstellung einer abgeänderten Ausführungs form eines erfiüd'ungsgemäs5,en Ringes; Fig.6 eine der Fig.3 ähnliche Schnittdarstellung zur Wiedergabe eines erfindungsgemässen Ringes, der eine Seitenabdichtung liefert;
Fig. 7 eine Teilvorderansicht des aus dem Rohling nach Fig. 1 hergestellten Ringes und Fig. 8 eine Teilvorderansicht eines aus dem Rohling nach Fig. 5 hergestellten Ringes. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Rohling mit einem Paar kontinuierlicher Seitenstreifen 11, welche in gleichen Abständen durch Bänder 12 verbunden sind. Die Bänder 12 sind paarweise zu jeweils einem Steg 13 zusammengestellt. Die Bänder 12 jedes Steges 13 konvergieren zur Mitte des Rohlings hin und sind auf jeder Seite der Rohlingsmittellinie durch ein Paar von in seitlichem Abstand angeordneten über brückungselementen 14 verbunden.
Dies gibt den Ste gen eine Gestalt, die annähernd derjenigen einer Sand uhr entspricht. Die Bänder 12 jedes Steges 13 sind in der Mitte durch eine Öffnung 15 und an jeder Seite der überbrückungselemente 14 durch allgemein keilförmige Öffnungen 16 getrennt.
Zwischen jedem Steg 13 und dem benachbarten Steg 13 entsteht ein länglicher Querschlitz 17, der auf jeder Seite der Rohlingsmittellinie konvergiert. Der ge samte Rohling ist zu seiner Mittellinie symmetrisch.
In der Mitte jedes Endes der keilförmigen Öffnungen 16 erstreckt sich eine flache Anreisslinie 18 über jeden Seitenstreifen 11 vom Ende der keilförmigen Öffnung bis oder wenigstens annähernd bis zur Endkante des Rohlings 10. Diese Anreisslinien können auf einer oder auf beiden Flächen des Rohlings 10 vorgesehen sein.
Zur Herstellung eines Ringes aus dem in Fig. 1 wiedergegebenen Rohling 10 kann man die verschie densten Verfahren anwenden. Ein Beispiel für ein ge eignetes Verfahren ist in der US-Patentschrift 2 668 131 beschrieben. Nach dieser Patentschrift wird der in Fig. 1 wiedergegebene Rohling in die gewünschte Quer schnittgestalt verformt, gerollt und dann in der Wärme behandelt und abgeschreckt, um ihn spröde zu halten. Anschliessend wird er an den Anreisslinien an den En den der keilförmigen Öffnungen 16 aufgerissen oder gebrochen, um die Unterteilungen 19 herzustellen (vgl.
Fig.2). Der aufgebrochene Ring wird dann gestreckt und auf die gewünschte Härte in der Wärme behandelt sowie schliesslich auf Länge geschnitten. Dieses Verfah ren stellt zwar einen wünschenwerten Weg zur Herstel- Jung des Ringes dar, jedoch kann man die Untertei lungen statt durch Aufbrechen der Anreisslinien an den Enden der keilförmigen Öffnungen 16 auch durch Ein schneiden oder Abscheren herstellen. Der fertige Ring 20 weist dann, wie man aus Fig. 4 erkennt, einen Spalt bei 21 auf. Der Ring wird in einen Zylinder eingebaut, wobei sich der Spalt 21. schliesst. In diesem Zustand bildet der Ring einen echten Kreis.
Der aus diesem Rohling hergestellte Ring ist in den Fig.2 und 7 wiedergegeben. Bei der Herstellung des Ringes werden die Seitenstreifen 11 des Rohlings 10 zu den Seiten des Ringes, wobei die Randkanten des Rohlings zu den äusseren Randteilen des Ringes werden. Die Seitenstreifen 11 werden wegen des Bruches an den Anreisslinien 18 an den Enden der keilförmigen Öff nungen 16 in eine Vielzahl bogenförmiger Segmente 22 unterteilt, wie es in Fig. 2 angedeutet ist.
Da die An- reisslinien an den entgegengesetzten Enden jeder keil förmigen Öffnung 16 aufgebrochen sind, liegen die Seg mente 22 auf einer Seite des Ringes in Flucht mit den Segmenten 22a auf der anderen Ringseite. Die Seg mente 22 auf der einen Ringseite sind mit den entspre chenden Segmenten 22a auf der anderen Ringseite durch die Stege 13 verbunden. Somit bildet ein Segment 22 auf der einen Ringseite zusammen mit dem axial ent sprechenden Segment 22a auf der anderen Ringseite eine Segmenteinheit.
Bei der Verformung des Rohlings zu der endgülti gen Querschnittsform des Ringes 29 (Fig. 2 und 3) wer den die Stege zuerst so gebogen, dass sie sich nach unten über einen Teil der inneren Bogenhöhe erstrecken, wor auf man sie umgekehrt so biegt, dass sie radial nach aussen zur Bildung eines vergrösserten Schlaufenteiles 23 verlaufen, der sich durch die radial innenliegende Fläche des Ringes öffnet.
Das radial aussenliegende Ende des Schlaufenteils 23 bildet einen geraden Pfeiler 24 (Mittelteil), welcher sich zwischen den Segmenten 22 und 22a in der Nähe der radial aussenliegenden Kante dieser Segmente erstreckt. Der Pfeiler bildet als solcher eine starre Überbrückung zwischen den Segmenten und unterstützt diese zwangs läufig gegen axiale Zusammendrückung infolge der ver schiedenen auf den Ring wirkenden Kräfte.
Diese Kräfte ergeben sich aus dem Zuge infolge der Reibung des Ringes bei seiner Hin- und Herbewegung längs der Zy linderwandung, aus den Druckkräften der Gase, welche nach unten zwischen der Zylinderwandung und dem Kolben zu strömen versuchen, den Vakuumzuständen unter bestimmten Betriebsbedingungen und aus den Kräften infolge Moment und Trägheit an jedem Ende je des Kolbenhubes. Der Pfeiler verhindert ferner, dass der Ring dauernd durch die beim Einbau des Ringes auf zubringenden Kräfte verbogen oder verworfen wird. Ein auf diese Weise hergestellter Ring ist derart stark ver steift, dass die seitliche Abdichtung des Ringes zwangs läufig gewährleistet ist.
Bei der Verformung des Ringes in seine Quer schnittsform kommt die Mittelöffnung 15 des Rohlings 10 in den radial aussenliegenden Teil der Stege zu lie gen und versieht die Aussenfläche des Ringes mit grosser Öffnungsfreiheit, wie man aus den Fig. 3 und 7 erkennt. Praktisch erstreckt sich die Öffnung über die gesamte Höhe der Pfeiler 24. Die Überbrückungselemente 14 befinden sich in denjenigen Teilen der Stege, die sich radial erstrecken, und liegen vorzugsweise in enger Nachbarschaft der Radien am Ober- und Unterteil der Pfeiler 24. Somit befinden sie sich in der radial aussen liegenden Ringfläche und liegen mit ihrer Grössen- oder Breitenabmessung im wesentlichen parallel zum Radius des Ringes statt parallel zur Ringachse.
Jedes Segment 22 und 22a ist einstückig mit einem Streifen jedes Steges. Somit ist jedes Segment einstückig mit zwei benachbarten Stegen, und die Überbrückungs- elemente 14 bilden die einzige Verbindung benachbar ter Segmente. Die Breite- der Überbrückungselemente be- einflusst wesentlich das Ausmass der erzeugten radialen Zugspannung. Der Abstand zwischen den Segmenten und den Überbrückungselementen 14 ist ein zweiter bedeutender Faktor, da er die tatsächliche Länge der durch die Form des Ringes entstehenden Feder be stimmt.
Dies ist von besonderer Bedeutung, weil das Ausmass der entwickelten radialen Zugspannung we sentlich den Nutzeffekt des Ringes beeinflusst.
Bei Ringkonstruktionen, bei denen die Breitenab- messungen der Überbrückungsstege im wesentlichen parallel zur Ringachse verlaufen, schwankt die radiale Spannung des Ringes mit dem Quadrat der Breite des Streifens und der dritten Potenz der Materialstärke. Um somit irgendeinen tatsächlichen wirksamen Einfluss auf den radialen Spannungswert des Ringes zu haben, isst es notwendig, die Materialstärke zu ändern.
Da bei mo dernen Maschinenkonstruktionen die Breite der Ring nut reduziert ist und das Masse/Gewicht-Verhältnis einen kritischen Faktor darstellt, ist die Änderung der Radialspannung durch Änderung der Materialstärke ohne Verringerung der Notwendigkeit für entsprechend grosse offene Bereiche in der Ringkonstruktion unprak tisch.
Die Erfindung erlaubt durch Orientierung der Über- brückungsstege in Ebenen im wesentlichen parallel zu den Seiten der Ringnut die Änderung der Ringspannung in der ersten Potenz der Materialstärke und der dritten Potenz der Breite der Überbrückungsstege. Somit kann man mit geringfügiger Vergrösserung der Elementbreite wirksam die Radialspannungscharakteristiken des Rin ges ändern.
Man kann dünnes Ausgangsmaterial gleich- mässiger Breite zur Herstellung eines Ringes mit gerin gem Masse/Gewicht-Verhältnis für eine grosse Viel zahl von Ringen verwenden. Darüber hinaus beeinflus- sen, da die Überbrückungselemente im allgemeinen par- allel zu den Seitendes Ringes liegen, die Elementbrei ten nicht wesentlich die offenen Bereiche des Ringes.
Die sich radial von vorn nach rückwärts erstreckenden Öffnungen verbleiben praktisch von der gleichen Grösse. Man scann auch die Radialspannung ändern, ohne die radiale Tiefe des Ringes ändern zu müssen. Dies ist von Bedeutung, wenn das Gewicht des Ringes auf einem Minimum gehalten werden muss.
Die Orientierung der Überbrückungselemente trägt wesentlich zur Lebensdauer des Ringes bei. Die auf die Überbrückungselemente übertragenen Kräfte werden für eine gegebene Ringspannung reduziert. Dies führt zu einer grösseren Ermüdungslebensdauer. Darüber hinaus liefert die Verwendung eines Paares von Überbrückungs elementen einen weiteren Sicherheitsfaktor. Sollte ein Element ausfallen, dann hält das andere den Ring für eine ausreichende Zeitdauer, um die Lebens- und Ar beitsdauer des Ringes wesentlich zu strecken, obwohl der Nutzeffekt des Ringes möglicherweise geringfügig beeinträchtigt wird.
Die äusseren radialen Enden der Segmente 22 und 22a werden unter einem kleinen Winkel (Fig. 3 und 8) aufeinander zu gebogen. Dadurch entsteht ein Flansch 35, welcher die Segmente gegen eine Durchbiegun:g wesentlich versteift und verstärkt. Diese Durchbiegung ergibt sich aus der Zusammendrückung beim Schliessen des Ringes zur Erzeugung der Radialspannung und aus dem Zug infolge des Ringeingriffes mit den Zylinder wandungen.
Der Flansch widersteht sowohl einer axia len Durchbiegung infolge des Eingriffes des Ringes mit der Zylinderwandung als auch einer Verwerfung oder Ausbeulung infolge einer über den Umfang wirkenden Zusammendrückung. Dies ist von besonderer Wichtig keit, weil die Erfindung die Verwendung bedeutend dünneren Ausgangsmaterials ermöglicht, das eine gerin gere Widerstandsfähigkeit gegen Biegung und Auslen- kung aufweist.
Man erkennt, dass die Streifen 12 bei ihrer Annähe rung an ihre Verbindungsstelle konvergieren. Die Strei fen sind einstückig mit den Segmenten unmittelbar in der Nähe der Mittelpunkte der Segmente. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Verringerung des Ver- beulens der Segmente. Versuche haben gezeigt, dass die auf die Segmente durch die Streifen beim Schliessen des Ringes aufgebrachten Umfangsdruckkräfte bedeutende Ausbeulungskräfte erzeugen.
Die Neigung zum Ausbeu len wächst rasch, wenn der Abstand zwischen den Strei fen zunimmt. Durch Verringerung dieses Abstandes auf ein Minimum lässt sich diese Wirkung beträchtlich her absetzen. Diese Verringerung des Abstandes und die Flansche 35 liefern eine wirksame Kontrolle über die Durchbiegung und Verbeulung, die bisher Ringe aus dünnem Ausgangsmaterial als unbrauchbar erscheinen liessen.
Gleichzeitig bleibt durch Verformung der Strei fen einer einzelnen Strebe zur Konvergenz in Richtung der Mitte des Rohlings die Öffnung der Fläche des Ringes erhalten.
Fig. 6 illustriert, dass der Ring 30 mit nach aussen radial divergierenden Seiten 31 hergestellt werden kann, so dass der Ring ein gewisses Ausmass an Keilwirkung aufweist, wenn er in die Ringnut 32 eingesetzt wird. Diese Keilwirkung ,sichert eine noch zwangsläufigere Seitenabdichtung für den Ring nach dem Einsetzen in die Ringnut ohne wesentliche Beeinträchtigung der Fä higkeit des Ringes, sich radial zu verbiegen und sich da mit der Kontur der Ringwandung anzupassen. Ausser der leichten Divergenz der Seiten bleibt die Ringkon struktion identisch mit derjenigen des Ringes 29.
Fig. 5 zeigt eine Abänderung des erfindungsgemäs- sen Kolbenrings. Der Rohling 40 ist grundsätzlich ähn lich dem Rohling 10 nach Fig. 1, jedoch sind die Bänder 12a gerade und die mit einem einzelnen Segment ein- stückigen Bänderpaare durch einen engen Längsschlitz 41 getrennt. Die Öffnungen 15a und 16a in jedem Steg sind rechteckig. Die Bänder 12a jedes Steges sind durch Überbrückungselemente 14a ähnlich den überbrük- kungselementen 14 verbunden, die jedoch hier etwas länger sind.
Wird der Rohling 40 gefaltet, dann ist der sich er gebende Ring 42 ähnlich dem Ring 29 mit einem Mit telschlaufenteil und einer offenen Vorderfläche (Fig. 8). Die Oberbrückungselemente- 14a nehmen die gleiche Stellung wie die Überbrückungselemente 14 in Fig.3 ;,in. Es finden die gleichen Flansche 35 Verwendung.
Die beschriebenen Beispiele erlauben, in einfacher Weise eine Änderung der Flexibilität und der radialen Spannfähigkeit des Ringes zu erzielen. Der Bereich, über den sich diese Eigenschaften ändern lassen, ist recht erheblich. Darüber hinaus kann das Ausmass der Biegsamkeit genau eingestellt werden. Dies erfolgt ohne Änderung der Breite oder Stärke des Ausgangsmaterials.
In einer gegebenen Ringkonstruktion mit gegebener Querschnittsgestalt lässt sich Ausgangsmaterial einer einzigen Breite und Stärke zur Herstellung einer Viel zahl von Ringen verwenden. Dies ist in wirtschaftlicher Hinsicht von grosser Bedeutung. Auch kann man das gleiche Giund'gesenk für jeden .solchen Ring verwen- den. Zur Herstellung eines Ringes aus einer Vielzahl möglicher Variationen ist es lediglich erforderlich, be stimmte Segmente des Gesenkes zu entfernen oder hin zuzufügen.
Durch den einfachem Behelf der Auswechs lung des die Überbrückungselemente 14 oder 14a bil denden Stempels des Gesenkes lässt sich die Radial- spannung des fertigen Ringes in weitem Umfang ändern. Es handelt sich hier um einen einfachen Austausch, der leicht und rasch vorgenommen werden kann. Die Ko sten für die Einzelstempel sind vergleichsweise gering. Sie selbst sind vergleichsweise einfach. Ihre Kosten sind geringfügig im Vergleich mit denjenigen einer gesamten Gesenkanordnung.
Die Erfindung beseitigt den Zwang zur Vorrats haltung einer Vielzahl von Gesenkanordnungen, die je weils nur für einen besonderen Ring brauchbar sind. Damit werden nicht nur die Beschaffungskosten wesent lich verkürzt, sondern es wird auch das Problem der Vorratshaltung in geradezu idealer Weise gelöst. In eini gen Fällen kann die Gesenkvorratshaltung ein sehr ern stes und kostspieliges Problem werden. Durch Aus wechslung allein des Stempels und des Ge.senkes, welche die Öffnung 16 herstellen, lässt sich bereits die Breite der Überbrückungselemente 14 ändern. Selbst geringfügige Änderungen dieses Gesenkes können be reits die Federungseigenschaften des Ringes wesentlich umgestalten.
So kann man bedeutende Änderungen in den Ringcharakteristiken mit verhältnismässig geringen Kosten erzielen.
Durch Ausfluchten der Segmente auf jeder Seite des Ringes erfolgt die Kontraktion des Ringes, sobald er unter Umfangsdruck gesetzt wird, gleichmässig über den gesamten Ring. Dadurch wird die Wölbungsfreiheit des Ringes wesentlich verbessert, weil die Kontraktion an den Trennstellen gleichmässig auf beiden Seiten des Rin ges auftritt und damit gleichmässig wird. Der wesent liche Abstand der Überbrückungselemente 14 bzw. 14a von den Segmenten längs der Streifen ermöglicht dies, ohne die Federwirkung des Ringes zu stören. Die Kon struktion liefert ferner einen Ring, der wesentliche grosse offene Bereiche und eine tiefe Federwirkung aufweist, ohne dass es einer Zunahme in der radialen Tiefe des Ringes bedarf.
Wegen seiner Querschnittsgestalt kann der Ring aus dünnen Ausgangsmaterialien hergestellt werden, ohne dass die Festigkeit der Segmente nachteilig beeinflusst wird. Auch dadurch werden Kosten und Ge wicht des Ringes herabgesetzt.