BR102012019166B1 - anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna. - Google Patents

Abstract

anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna. a presente invenção refere-se a um anel de controle de óleo de três peças, para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, compreendendo um primeiro segmento anelar (2) e um segundo segmento anelar (3) associados a um elemento expansor (4), onde o expansor apresenta um formato substancialmente anelar e compreende uma primeira extremidade (4a) voltada para a parede interna do canalete quando o anel está montado no pistão e uma segunda extremidade (4b), oposta, onde; o anel compreende ainda uma porção substancialmente intermediária (5) compreendendo pelo menos uma projeção (sa,5b) para associação com os primeiro e segundo segmentos anelares (2,3); e a primeira extremidade (4a) apresenta um primeiro valor de espessura (el), a segunda extremidade (4b) apresenta um segundo valor de espessura (e2) e a porção substancialmente intermediária (5) apresenta um terceiro valor de espessura (e3), onde o valor de (el) é substancialmente inferior ao valor de (e3) e menor ou similar ao valor de (e2), a diferença de valores entre (el) e (e3) sendo substancialmente superior à diferença de valores entre (el) e (e2).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ANEL DE CONTROLE DE ÓLEO DE TRÊS PEÇAS PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA.

[001] A presente invenção refere-se a um anel de controle de óleo de três peças para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, compreendendo um primeiro segmento anelar superior e um segundo segmento anelar inferior associados a um elemento intermediário, expansor, dotado de uma geometria que apresenta espessura, tomada adjacentemente à sua extremidade interna (menor diâmetro) substancialmente inferior à espessura tomada na região de associação com os primeiro e segundo segmentos anelares. [002] A geometria do elemento expansor evita contato indesejável com a parede interna e as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete do pistão, diminuindo a precisão tolerancial requerida no processo fabril desse componente. Com isso, consegue-se uma redução no custo de fabricação do pistão e um menor número de incompatibilidades entre o expansor e o canalete, reduzindo ainda a zero a ocorrência de uma situação denominada pop-out, correspondente à distância entre o diâmetro interno do anel quando livre, isto é, não confinado no cilindro, em relação às paredes dos diâmetros externos próximos aos flancos do canalete em que está alojado o anel. Quanto maior o pop-out maior é o risco de ocorrer montagem inadequada por levar os anéis a deformações e travamento no momento de inserir pistão e anéis dentro do cilindro.

Descrição do Estado da Técnica

[003] Os motores de combustão interna são mecanismos transformadores de energia utilizados pela imensa maioria dos veículos automotores, e compreendem basicamente duas partes principais: um ou mais cabeçotes e o bloco do motor. Na base do(s) cabeçote(s) estão localizadas as câmaras de combustão (em motores a Diesel em geral

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2/12 as câmaras de combustão estão nas cabeças dos pistões) e no bloco do motor estão localizados os cilindros e o conjunto da árvore de manivelas ou conjunto do virabrequim. O conjunto da árvore de manivelas é composto por pistões, bielas e pelo virabrequim.

[004] O motor converte a energia produzida pela combustão da mistura (combustível e ar) nas câmaras de combustão, em energia mecânica capaz de imprimir movimento às rodas.

[005] Como a força motriz necessária para movimentar o automóvel provém da queima da mistura ar/combustível na câmara de combustão, e a fim de assegurar uma combustão homogênea e sem queima de óleo e ainda evitar a passagem em demasia de gases do cilindro para o cárter, faz-se necessária a utilização de anéis para prover uma boa vedação da folga existente entre o pistão e a parede do cilindro.

[006] Na grande maioria dos motores de combustão interna atuais que operam segundo os ciclos Otto e Diesel utiliza-se três anéis, sendo dois anéis de compressão e um anel de controle (raspador) de óleo. Os anéis de compressão têm a função de impedir a passagem dos gases da combustão para o interior do cárter e o anel de óleo tem a função de raspar o excesso de óleo da parede do cilindro e devolvêlo ao cárter, controlando a espessura do filme de óleo para que o funcionamento do motor ocorra dentro das premissas de projeto e operação.

[007] Outra função importante dos anéis é servir de ponte de transmissão de calor desde o pistão até a parede do cilindro/camisa aonde ocorre a dissipação de caloria através do sistema de arrefecimento.

[008] Os anéis raspadores de óleo podem ser de uma, duas ou de três peças. A presente solução foi desenvolvida na forma de um anel de três peças, que como regra geral possui um primeiro segmen

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3/12 to anelar superior e um segundo segmento anelar inferior associados a um elemento intermediário, expansor, que pressiona de maneira controlada os segmentos superior e inferior de encontro à parede do cilindro. A força exercida pelo elemento expansor, que nada mais é do que um elemento resiliente, é calculada para que o filme de óleo na parede do cilindro apresente a espessura desejada.

[009] Embora os anéis raspadores de óleo de três peças sejam bastante especificados pelos projetistas de motor, existem algumas características desvantajosas advindas de sua constituição, a maior das quais sendo a necessidade de projetar o elemento expansor de forma que ele nunca venha a interferir com a parede interna e as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete do pistão (o terceiro canalete, mais afastado da cabeça do pistão).

[0010] Isso é conseguido, na maioria dos casos, pela aplicação de uma variação tolerancial mais reduzida, de 0,3 milímetro nas dimensões das arestas superior e inferior do canalete. Partindo dessa baixa flutuação dimensional, o elemento expansor é projetado de forma que suas dimensões, consideradas as tolerâncias em sua fabricação, não causem interferência indesejável com o canalete em sua dimensão mais crítica, dada a variação tolerancial. Em outras palavras, canalete e expansor devem ser dimensionados para que, mesmo na situação mais crítica em termos de interferência, ela não ocorra.

[0011] Devido a este tipo de dimensionamento, pode ocorrer uma situação oposta, quando as dimensões de canalete e expansor são tais que ocorre a situação oposta de máxima folga entre ambos, o que pode levar ao indesejável fenômeno de pop-out comentado mais acima.

[0012] Há diversas técnicas anteriores referentes a anéis raspadores de óleo de três peças, propondo aperfeiçoamentos nesse conceito construtivo, algumas das quais estão brevemente listadas a seguir.

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[0013] O documento US 7,854,191 refere-se a um anel raspador de óleo de três peças idealizados para reduzir a redução de consumo de óleo lubrificante e aumentar as propriedades de vedação. O elemento expansor apresenta porções de suporte (projeções de assentamento) para permitir o posicionamento e fixação dos dois segmentos anelares. De maneira a possibilitar que o anel se desempenhe como objetivado, as projeções de assentamento apresentam um ângulo entre 10° e 20° com a vertical e uma relação geométrica 2X/Y entre 0,04 e 0,15, onde 2X corresponde ao comprimento projetante de uma respectiva projeção de apoio do segmento na direção axial e Y é a distância entre as faces de extremidade distal das projeções na direção axial.

[0014] O documento US 2006/0061043 refere-se a um anel raspador de óleo de três peças cujo expansor possui projeções (que ficam em contato com os segmentos anelares) confeccionadas em aço inoxidável austenítico e revestidas por uma camada de revestimento nitretada.

[0015] Por fim, o documento US 4,798,391 refere-se a um anel raspador de óleo de três peças cujo expansor apresenta rasgos e projeções (slots and ribs) que contribuem para a obtenção de um valor de rigidez desejado, reduzindo o consumo de óleo lubrificante do motor com ele equipado.

[0016] Os três documentos acima mostram diferentes abordagens para o aperfeiçoamento dos anéis raspadores de óleo de três peças, visando o aumento de seu desempenho que traz como corolário a redução no consumo de óleo lubrificante. Porém não há, em nenhum dos documentos apontados, preocupação com o formato da secção transversal do expansor no tocante à tolerância dimensional do canalete e a ocorrência do fenômeno de pop-out, que sem dúvidas traz inconvenientes durante a montagem do motor.

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[0017] Até o presente momento, não havia sido desenvolvido um anel raspador de óleo de três peças cujo expansor tenha sido desenvolvido geometricamente para evitar a necessidade de grande controle tolerancial do canalete de pistão ao mesmo tempo em que afasta a ocorrência do fenômeno do pop-out.

Objetivos da Invenção

[0018] A presente invenção tem por objetivo proporcionar um anel de três peças para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna dotado de um elemento expansor cuja geometria evita contato indesejável com a parede interna e as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete do pistão, sem a necessidade de variação tolerancial muito reduzida no processo fabril desse componente, reduzindo a zero a ocorrência de pop-out durante a montagem do motor e conseguindo redução no custo de fabricação do pistão.

[0019] A presente invenção tem por objetivo proporcionar um anel de três peças para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna que, ao lado de todas as vantagens mencionadas no parágrafo anterior, garante um ótimo desempenho no tocante ao (reduzido) consumo de óleo lubrificante, durabilidade e capacidade de vedação.

Breve Descrição da Invenção

[0020] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de controle de óleo de três peças, para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, compreendendo um primeiro segmento anelar e um segundo segmento anelar associados a um elemento expansor, onde o expansor apresenta um formato substancialmente anelar e compreende uma primeira extremidade voltada para a parede interna do canalete quando o anel está montado no pistão e uma segunda extremidade, oposta.

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[0021] O anel compreende ainda uma porção substancialmente intermediária compreendendo pelo menos uma projeção para associação com os primeiro e segundo segmentos anelares.

[0022] A primeira extremidade apresenta um primeiro valor de espessura (E1), a segunda extremidade apresenta um segundo valor de espessura (E2) e a porção substancialmente intermediária apresenta um terceiro valor de espessura (E3), onde o valor de (E1) é substancialmente inferior ao valor de (E3) e similar ou menor do que o valor de (E2), a diferença de valores entre (E1) e (E3) sendo substancialmente superior à diferença de valores entre (E1) e (E2).

[0023] As características acima mencionadas, além de outros aspectos da presente invenção, serão mais bem compreendidas por meio da descrição detalhada das figuras que se seguem.

Descrição Resumida dos Desenhos

[0024] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é uma vista da seção transversal de um anel raspador de óleo de três peças pertencente ao estado da técnica e montado no canalete de um pistão, dentro da condição normal, onde não há interferência da extremidade interna do expansor com as arestas do canalete,

Figura 2 - é uma vista da seção transversal de um anel raspador de óleo de três peças pertencente ao estado da técnica e montado no canalete de um pistão, dentro da condição normal, em uma situação indesejável na qual, devido a desvios toleranciais indesejáveis, mas infelizmente possíveis, há interferência da extremidade interna do expansor com as arestas do canalete, e

Figura 3 - é uma vista da seção transversal do anel raspador de óleo de três peças objeto da presente invenção montado no caPetição 870200004306, de 10/01/2020, pág. 13/28

7/12 nalete de um pistão.

Descrição Detalhada das Figuras

[0025] As figuras 1 e 2 mostram um anel raspador de óleo de três peças qualquer, pertencente ao estado da técnica, posicionado no interior do terceiro canalete de um pistão (ilustrado parcialmente). Conforme pode ser visto, o anel de três peças compreende um primeiro segmento anelar superior e um segundo segmento anelar inferior associados a um elemento expansor, intermediariamente disposto, que pressiona de maneira controlada os segmentos superior e inferior de encontro à parede do cilindro.

[0026] Embora esse tipo de anel seja largamente utilizado atualmente e venha sendo aperfeiçoado juntamente com o desenvolvimento dos motores de combustão interna que operam segundo os ciclos Otto e Diesel, até o presente momento era necessário projetar o elemento expansor de forma que ele nunca viesse a interferir com a parede interna e as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete do pistão.

[0027] Via de regra, o elemento expansor era projetado considerando a determinação de uma variação tolerancial de 0,3 milímetro nas dimensões das arestas superior e inferior do canalete como uma premissa crucial de projeto. As dimensões do expansor eram de tal ordem que não causassem interferência indesejável com o canalete em sua dimensão mais crítica, consideradas as tolerâncias máximas em sua fabricação.

[0028] Na hipótese de um dimensionamento incorreto do expansor, poderia haver uma situação crítica em termos de interferência na qual sua extremidade interna interferisse com a parede interna e as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete, podendo ocasionar redução na durabilidade do componente ou até mesmo, em casos extremos, o colapso do anel, o que obrigará a uma manutenção

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8/12 bastante onerosa no motor. Esta situação crítica está ilustrada na figura 2.

[0029] O dimensionamento do expansor tal como vinha sendo feito ocasionava ainda um problema colateral, quando as dimensões de canalete e expansor são tais que ocorre a situação de máxima folga entre ambos, podendo levar ao indesejável fenômeno de pop-out comentado mais acima.

[0030] Até o momento ninguém havia desenvolvido um anel raspador de óleo de três peças que buscasse resolver o problema da interferência tolerancial e do pop-up por uma abordagem diferente, a partir de uma mudança mais drástica e conceitual no design do expansor que não o simples dimensionamento e o controle dos parâmetros toleranciais. Com esse novo conceito, a depositante criou um anel que eliminou a zero tanto a ocorrência de interferência do expansor com a parede interna do canalete quanto a indesejável situação de pop-out.

[0031] Passando à descrição detalhada da invenção, a figura 3 ilustra uma concretização preferível, não limitante, do anel 1 desenvolvido pela depositante.

[0032] O anel 1 compreende um primeiro segmento anelar 2 e um segundo segmento anelar 3, substancialmente horizontais e paralelos entre si, associados a um elemento expansor 4.

[0033] Evidentemente, as dimensões específicas dos segmentos 1,2, o material com que são constituídos e eventual revestimento superficial que eles contenham são características que não influem no escopo de proteção da invenção, variando por exemplo em função do tipo de combustível queimado pelo motor em que serão utilizados e, ainda, por parâmetros de projeto e operação do motor.

[0034] O elemento expansor 4, por sua vez, é a grande inovação da presente invenção. Ele também apresenta formato substancialmente anelar e, conforme pode ser visto na figura 3, compreende uma pri

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9/12 meira extremidade 4a voltada para a parede interna do canalete quando o anel está montado no pistão, uma segunda extremidade 4b, oposta, e uma porção substancialmente intermediária 5 compreendendo pelo menos uma projeção 5a,5b (uma superior e a outra inferior, respectivamente) para associação com os primeiro e segundo segmentos anelares 2,3.

[0035] Quando o anel 1 está montado, cada uma das projeções 5a,5b serve como um batente horizontal para o respectivo segmento anelar 2,3. Tomando o caso do primeiro segmento anelar 2, superior, a figura 3 permite a perfeita visualização do posicionamento em que ele se encontra, constrito entre a superfície superior do canalete, o corpo do elemento expansor e a projeção superior 5a.

[0036] Da mesma forma, o segundo segmento anelar 3, inferior, está constrito entre a superfície inferior do canalete, o corpo do elemento expansor e a projeção inferior 5b.

[0037] Explicando com maior detalhamento, a superfície lateral de cada um dos segmentos 2,3 está operacionalmente associada a uma parede lateral substancialmente vertical de uma respectiva projeção 5a,5b. Assim, quando o conjunto pistão/anel está montado no interior de um cilindro de um motor, o expansor 4 pressiona de maneira controlada (em função da força elástica por ele aplicada, elemento resiliente que é) os segmentos superior e inferior 2,3 de encontro à parede do cilindro (ilustrada na figura 3 com o número 7).

[0038] A força exercida pelo elemento expansor, é calculada para que o filme de óleo na parede do cilindro apresente a espessura desejada, evitando ainda um excesso de pressão que ocasionasse uma acelerada deterioração dos segmentos ou da própria parede do cilindro.

[0039] A grande inovação do expansor é que, ao mesmo tempo em que as duas projeções 5a,5b existem para garantir o adequado

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10/12 contato dos segmentos 2,3 com a parede do cilindro, a primeira extremidade 4a, que é aquela voltada para a parede interna do canalete do pistão, apresenta uma espessura consideravelmente inferior à da porção intermediária 5 (onde se encontram as projeções 5a,5b) e inferior à altura total do canalete do pistão.

[0040] Como pode se ver na figura 3, a diferença entre a altura do canalete e a espessura da primeira extremidade 4a é considerável, tornando impossível que esta última contate o canalete nas arestas (ângulos) superior e inferior definidas mais acima e ilustradas com os números 6a,6b.

[0041] Descrevendo mais pormenorizadamente, e em consonância com a figura 3, a primeira extremidade 4a apresenta um primeiro valor de espessura E1, a segunda extremidade 4b apresenta um segundo valor de espessura E2 e a porção substancialmente intermediária 5 apresenta um terceiro valor de espessura E3.

[0042] Evidentemente, o valor da espessura E3 da camada intermediária 5 é maior, devido à função precípua das projeções 5a,5b, qual seja, funcionar como um batente impedindo a movimentação horizontal dos segmentos 2,3 na direção do interior do canalete e, a partir da movimentação do expansor, forçá-los contra a parede do cilindro.

[0043] Porém, a espessura E1 da primeira extremidade 4a é consideravelmente inferior à espessura da camada intermediária E3, contrariamente ao que ocorre nos expansores dos anéis pertencentes ao estado da técnica, representativamente ilustrados pelas figuras 1 e 2.

[0044] Ademais, cumpre notar que o valor da espessura E1 da primeira extremidade 4a do expansor 4 é substancialmente similar ao valor da espessura E2 da segunda extremidade 4b do expansor 4. Essa segunda extremidade deve obrigatoriamente ser inferior a E3 a fim de que as projeções 5a,5b existam e que os segmentos 2,3 possam ficar constritos entre elas, o canalete e o corpo do expansor.

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[0045] Na hipótese de E1 ser substancialmente análoga à E3, o anel assim configurado aproxima-se dos produtos atualmente conhecidos (vide figuras 1 e 2) e se afasta do conceito inovador ora proposto, uma vez que a interferência com o canalete nos moldes do que ilustra a figura 2 volta a ser uma possibilidade real. Por conta disso, no presente conceito, além de o valor de (E1) ser substancialmente inferior ao valor de (E3) e substancialmente similar ao valor de (E2), a diferença de valores entre (E1) e (E3) é substancialmente superior à diferença de valores entre (E1) e (E2), configurando uma relação que afasta uma pequena variação de espessura E1 em relação a E3.

[0046] Evidentemente, a medida L de largura da secção transversal do expansor 4 deve ser determinada de forma a impedir que a primeira extremidade 4a, por menor que seja sua espessura E1, toque na parede interna do canalete. Porém, este dimensionamento já é efetuado para os anéis atualmente em uso.

[0047] Com a inovadora geometria aplicada ao expansor 4, evitase o contato da primeira extremidade 4a com as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete do pistão, tornando desnecessária a utilização de processos de fabricação do pistão com reduzidas tolerâncias dimensionais do canalete, que são bastante onerosos e incrementam consideravelmente o custo dessa peça, garantindo um menor número de incompatibilidades entre o expansor e o canalete, reduzindo a zero a ocorrência do pop-out.

[0048] Analogamente ao que foi dito para os segmentos 2,3, o material com que o expansor é constituído e eventual revestimento superficial que ele contenha são características que não influem no escopo de proteção da invenção, variando por exemplo em função do tipo de combustível queimado pelo motor em que serão utilizados e, ainda, por parâmetros de projeto e operação do motor.

[0049] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferi

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12/12 do, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, como por exemplo, o uso de tratamentos superficiais e recobrimentos cerâmicos e metálicos, com a finalidade de melhorar as características de resistência ao desgaste, corrosão e diminuição das forças de atrito, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (3)

1. Anel de controle de óleo de três peças, para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, compreendendo um primeiro segmento anelar (2) com uma primeira extremidade voltada para a parede interna do canalete e um segundo segmento anelar (3) com uma primeira extremidade voltada para a parede interna do canalete e sendo paralelo e espaçado em uma primeira distância do primeiro segmento anular (2), os primeiro e segundo segmentos anulares (2, 3) sendo associados a um elemento expansor (4), onde o expansor apresenta um formato anelar e compreende uma primeira extremidade (4a) voltada para a parede interna do canalete quando o anel está montado no pistão e uma segunda extremidade (4b), oposta, o anel sendo caracterizado pelo fato de que

- compreende ainda uma porção intermediária (5) posicionada entre a primeira extremidade (4a) e a segunda extremidade oposta (4b) do elemento de expansão, compreendendo pelo menos duas projeções (5a,5b), em que pelo menos uma porção de cada uma das pelo menos duas projeções (5a,5b) está associada com as primeiras extremidades dos primeiro e segundo segmentos anelares (2,3); e

- a primeira extremidade (4a) apresenta um primeiro valor de espessura (E1), a segunda extremidade (4b) apresenta um segundo valor de espessura (E2) e a porção intermediária (5) apresenta um terceiro valor de espessura (E3) maior que a primeira distância, de modo que uma porção das pelo menos duas projeções (5a, 5b) entre em contato com as primeiras extremidades do primeiro e do segundo segmentos anelares (2, 3), respectivamente, onde o valor de (E1) é inferior ao valor de (E3) e menor ou similar ao valor de (E2), a diferença de valores entre (E1) e (E3) sendo superior à diferença de valores entre (E1) e (E2).

2/2 fato de que (E1) e (E2) apresentam o mesmo valor.

2. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo

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3. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o valor de espessura (E1) inferior ao valor de espessura (E3) evita que a primeira extremidade (4a) do expansor (4) contate a parede interna e as arestas (ângulos) superior e inferior definidos pelo canalete do pistão.