DK168834B1 - Tætningsorgan - Google Patents

Description

i DK 168834 B1

Opfindelsen angår et tætningsorgan til tætning mellem to mod hinanden fastspændte elementer, der er af et jernbaseret materiale og har hver sin hovedsageligt plane anlægsflade, hvor anlægsfladerne ligger over for 5 hinanden på hver sin side af tætningsorganet, der er af et metallisk materiale, fortrinsvis blødt stål.

Pra tysk offentliggørelsesskrift nr. 38 04 436 kendes et tætningsorgan til anbringelse mellem en motorblok og det tilhørende topstykke. Tætningsorganet 10 består af blødt materiale, der på siden ind mod forbrændingskammeret er indfattet af en metalring med U-formet tværsnit. Det bløde materiale er imprægneret med en elastomer på silikonebasis, som sikrer en mikro-og makrotætning i løbet af den nye motors første om-15 drejninger. Indfatningen er struktureret med små fordybninger, som binder den bløde silikoneelastomer i nogenlunde jævnt fordelte små dråber. Elastomeren giver en lille øgning af tætningsorganets friktion mod topstykket og motorblokken, så tætningsorganet er bedre 20 styret end hvis det blot havde været de rene pakflader, som lå an mod hinanden.

Tætninger anvendes i stort omfang ved samling af maskindele, motordele eller rørstykker, hvor tætningsorganet anbringes mellem pakfladerne eller anlægsfla-25 derne på de dele, der skal spændes sammen. Det er ved mange anvendelser meget væsentligt at tætningen fungerer upåklageligt, selv efter lang tids drift uden tilsyn, idet det normalt antages, at tætningsorganet kun skal efterses og eventuelt udskiftes, hvis de sammen-30 spændte elementer adskilles og samles igen, eksempelvis ved inspektion af elementernes tilstand.

Ydre påvirkninger kan få de sammenspændte elementer til at bevæge sig en anelse i forhold til hinan DK 168834 B1 2 den, især hvis de to elementer har forskellig facon, forskellige dimensioner, eller hvis elementerne er fremstillet af forskellige materialer. Dette skyldes, at elementernes forskelligartede egenskaber bevirker, 5 at elementerne ikke reagerer ens på de ydre påvirkninger. Dette forhold er særlig udtalt, hvis elementerne udsættes for varierende termiske påvirkninger, der kan fremkalde meget store kræfter mellem anlægsfladerne, hvis elementernes termisk betingede dimensionsændringer 10 søges hindret. I praksis tillader man derfor elementernes anlægsflader at skride en anelse i forhold til hinanden i fladernes plan.

Opfindelsen bygger på den iagttagelse, at en tætningsring indspændt mellem et cylinderdæksel og et 15 cylindervægselement i en stor to-takts forbrændingsmotor nogle gange efter lang tids drift kryber ud af samlingen enten i radial udadgående retning eller ind i forbrændingskammeret. En sådan bevægelse af tætningsorganet er særdeles uønsket, idet den kan gøre det påkræ-20 vet at adskille elementerne i utide for blot at udskifte tætningsorganet. I de tilfælde, hvor tætningen er beliggende på et sted, som ikke bliver eller ikke kan overvåges, kan der endvidere opstå alvorlige lækager med medfølgende risiko for svigt af de involverede ma-25 skindele eller udledning af forurenende stoffer til omgivelserne .

Formålet med opfindelsen er at undgå ovennævnte ulemper gennem anvisning af en tætning, hvor tætningsorganet ikke har tendens til at krybe ud af samlingen 30 mellem elementerne.

Dette opnås med et tætningsorgan, som ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at tætningsorganet på den ind mod den ene af anlægsfladerne vendende side er påført en friktionsøgende belægning omfattende partik-35 ler, der er væsentligt hårdere end elementernes jernbaserede materiale. Alternativt kan belægningen være påført på det ene elements anlægsflade.

DK 168834 B1 3

Forskellen i friktionen mellem tætningsorganet og henholdsvis den ene og og den anden anlægsflade fører til, at tætningsorganet låses fast til den anlægsflade, hvor friktionen er størst, fordi tætningsorganet 5 først vil glide i forhold til den anden tætningsflade, hvor friktionen er væsentlig mindre. Tætningsorganet vil dermed kun følge med i bevægelserne af det ene element, mens der kan forekomme mindre forskydninger mellem tætningsorganet og det andet elements anlægsflade.

10 Når de ydre påvirkninger på elementerne fører til at anlægsfladen på det ene element skiftevis forskyder sig frem og tilbage i forhold til anlægsfladen på det andet element, hindrer tætningsorganets fastlåsning til det ene element, at tætningsorganet påføres en blivende de-15 formation, som følge af at det under den fremadgående forskydning hænger fast til det ene element og derefter hænger fast til det andet element under den tilbagegående forskydning.

Friktionsforskellen frembringes ved, at tæt-20 ningsorganet på den ind mod den ene af anlægsfladerne vendende side er påført en friktionsøgende belægning. Fremstillingsmæssigt er det enklest at påføre belægningen på tætningsorganet, idet dette er mere håndterbart end de væsentligt større elementer. En friktionsøgende 25 belægning vil som oftest give mulighed for en større friktionsforskel end en friktionsmindskende belægning, idet friktionskoefficienten mellem et sædvanligt tætningsorgan og det tilhørende element normalt ligger på omkring 0,2.

30 Belægningen omfatter partikler, der er væsent ligt hårdere end elementernes jernbaserede materiale.

Den over tætningen virkende sammenspændingskraft fører til, at de hårde partikler i belægningen griber ind i overfladen af den tilhørende anlægsflade, som en slags 35 mikrofortanding, hvilket sikrer en effektiv låsning af tætningsorganet til den pågældende anlægsflade. Da par- , DK 168834 B1 4 tiklerne er væsentligt hårdere end såvel elementernes materiale som tætningsorganets grundmateriale vil de selv ikke efter længere tids brug blive fladtrykte eller afrundede.

5 Det foretrækkes, at belægningen indeholder mindst 20 vægtprocent carbider, bornitrider eller aluminiumoxider, der er lejret i en metallisk matrix, fordi dette giver en passende friktionsøgning ved anlæg mod en anlægsflade af et jernbaseret materiale, såsom 10 stål eller støbejern. Hvis belægningens indhold af de hårde carbider, bornitrider eller oxider bliver væsentligt mindre end 20 vægtprocent, er der efter længere tids brug risiko for et gradvist tab af den friktionsøgende effekt, fordi nogle af de hårde partikler vil 15 synke ind i tætningsorganets basismateriale.

Belægningens egenskaber bliver særlig fordelagtige, hvis den er pålagt ved hjælp af plasmasprøjtning.

Ved passende sammensætning af tilsatsmaterialet vil belægningens matrixmateriale kunne påføres i smeltet 20 form, mens de hårde partikler ikke smeltes i plasmabuen. Dermed kan der afsættes et meget tyndt matrixlag, som indeholder forholdsvis store hårde partikler, hvorved belægningen får stor ruhed.

Tætningsorganet ifølge opfindelsen er særlig an-25 vendeligt som tætningsring til anbringelse mellem den nedadvendende anlægsflade på et cylinderdæksel og den opadvendende anlægsflade på et underliggende cylindervægselement i en stor totakts forbrændingsmotor. Hver gang motoren varmes op ved start og køles af efter at 30 være stoppet, vil der forekomme en lille radialrettet glidning af cylinderdækslet i forhold til cylindervægselementet. Navnlig ved store to-takts forbrændingsmotorer, hvor stemplet kan have en diameter på op til 90 cm, er tætningsringen udsat for en stor trykbelastning 35 som følge af dækslets nedspænding mod cylindervægselementet. Den store aksialbelastning, som pulserer under DK 168834 B1 5 motorens gang, medfører at tætningsringen meget let påføres blivende deformationer, når den relative bevægelse mellem dækslet og vægelementet deformerer tætningsringen i radial retning.

5 Opfindelsen forklares herefter nærmere med hen visning til den meget skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et tværsnit gennem tætningen mellem et cylinderdæksel og en cylinderforing med en tætningsring anbragt mellem disse to elementer, 10 fig. 2 et planbillede af tætnings ringen vist i fig. 1 og fig. 3 et diagram over målte friktionsforhold for henholdsvis et konventionelt tætningsorgan og et tætningsorgan ifølge opfindelsen.

15 I fig. l,hvor detaljer uden betydning for op findelsen er udeladt, ses et tætningsorgan i form af en tætningsring 1, der tætner overgangen mellem to mod hinanden spændte elementer, nemlig et cylinderdæksel 2 og en cylinderforing 3 i en stor to-takts dieselmo-20 tor. Cylinderdækslet 2 og -foringen 3 afgrænser sammen med det ikke-viste stempel et forbrændingskammer 4. Tætningsringens overside ligger an mod en ringformet, nedadvendende anlægsflade 5 på undersiden af cylinderdækslet 2, og ringens underside ligger an mod en 25 ringformet, opadvendende anlægsflade 6 på et forhøjet parti i foringens øvre endeområde.

Cylinderdækslet 2 er på konventionel vis ved hjælp af ikke-viste stagbolte spændt ned mod foringen 3 med en kraft, der er større end maksimal værdien af 30 den pulserende opadrettede kraft, som påvirker cylinderdækslet 2 i løbet af en motorcyklus. Da sammenspændingskraften overføres fra dækslet 2 til foringen 3 gennem tætningsringen 1, er denne påvirket af meget store kræfter i cylinderens aksialretning.

35 Tætningsringen 1 er forholdsvis tynd og har tre udragende flige 7, hvis ydre rand 8 ligger an DK 168834 B1 6 mod en lodret flade 9 på foringen 3 for at sikre den korrekte positionering af tætningsringen, når dækslet 2 monteres på foringen.

Tætningsringen 1 er på oversiden eller under-5 siden forsynet med en friktionsøgende belægning, som fastlåser tætningsringen til enten dækslet 2 eller foringen 3. Det er naturligvis også muligt at påføre belægningen på en af anlægsfladerne 5 eller 6, men det foretrækkes at påføre belægningen på tætningsrin-10 gen, idet denne er væsentlig lettere at håndtere end de meget større og tungere elementer 2 eller 3.

Der er opnået meget lovende forsøgsresultater med en plasmapåsprøj tet belægning af et keramisk-metal-lisk materiale, hvor keramiske partikler med en stør-15 relse på fra 30-40 μπι er lejret i en forholdsvis blød metalmatrix (matrixhårdhed fra 200-500 HV). Som egnede keramiske partikelmaterialer kan nævnes chromcarbider, bornitrider og volfram- eller aluminiumoxider, der alle har hårdheder på over 1000 HV. Chromcarbider og borni-20 trider foretrækkes dog som følge af disse materialers gode modstandsdygtighed over for de kemisk aggressive forbrændingsprodukter.

Herefter beskrives et udførelseseksempel, hvor der er udført friktionsforsøg med en klods, der er på-25 lagt en keramisk-metallisk belægning. Por at skaffe et sammenligningsgrundlag er der også udført tilsvarende forsøg med ubelagte klodser.

En klods af stål blev ved hjælp af plasmasprøjtning pålagt en friktionsøgende belægning af et kera-30 misk-metallisk materiale, der sælges af det svenske firma Daros Piston Rings AB under handelsnavnet PM20 og kan leveres som pulver til brug ved plasmasprøjtning, hvor pulveret har en kornstørrelse på omtrent 140 mesh ± 30 ym og carbidpartiklerne har et smeltepunkt på om-35 trent 1890°C.

Med et plasmasprøjteapparat blev klodsen påført to ovenpå hinanden liggende lag af en lagtykkelse på DK 168834 B1 7 5/100 mm, hvorved den færdigfremstillede belægning fik en tykkelse på fra 60-140 pm. Belægningen blev påført på to modstående sider af klodsen, der efterfølgene blev anbragt centralt mellem to laterale klodser af 5 stål. De to laterale klodser blev trykket ind mod den centrale klods med en kraft N og den centrale klods blev påvirket med en stadigt voksende kraft T i en retning parallelt med anlægsfladerne mellem den centrale og de laterale klodser. Størrelsen af kraften T blev 10 registreret umiddelbart førend den centrale klods begyndte at bevæge sig i forhold til de laterale klodser. Forsøget blev gentaget for forskellige værdier af sammenspændingskraften N. Resultatet af forsøgene er vist i fig. 3, der udad abscisseaksen viser kraften N og op-15 ad ordinataksen viser kraften T/2, idet kraften T vil fordele sig ligeligt mellem begge anlægsflader ud mod de to laterale klodser.

I fig. 3 er middelværdierne for de målte data repræsenteret ved fuldt optrukne linier, hvis hældning 20 angiver friktionskoeffecienten μ mellem anlægsfladerne. Kurven A angiver middelværdierne for kraften T/2 umiddelbart inden klodsen sættes i bevægelse og repræsenterer dermed den statiske friktionskoeffecient μ5·

Forsøgets resultat viser, at belægningen ved an-25 læg mod en ståloverflade giver en friktionskoeffecient på μ3 = 0,35.

For sammenlignings skyld blev der udført tilsvarende forsøg, hvor den centrale klods ikke var forsynet med nogen belægning. Måleresultaterne fra dette forsøg 30 ses i den nedre del af diagrammet i fig. 3, hvor kurven B repræsenterer middelværdierne for den statiske friktionskoeffecient μ3, der blev målt til μ3 = 0,15.

Det fremgår umiddelbart heraf, at den friktionsøgende belægning øger friktionskoeffecienten med 35 omtrent en faktor 2,3.

Tilsvarende forsøg blev udført med klodser af nikkel. De samlede forsøgsresultater er gengivet i 8 DK 168834 B1 nedenstående tabel l 5 Statisk TABEL 1 koefficient__Central klods_

Laterale Slebet Nikkel PM20 klodser__stål_

Slebet 10 stål 0,15 0,25 0,34

Nikkel 0,29 PM20 0,35 0,25 15 __

Det fremgår umiddelbart af tabellen, at den kera-misk-metalliske belægning giver en meget høj friktions-koeffecient ved glidning mod stål. En belægning af den-20 ne art er derfor særlig velegnet til anvendelse ifølge opfindelsen som friktionsøgende belægning på den ene side af et tætningsorgan.

Det fremgår endvidere, at to mod hinanden anliggende overflader af nikkel giver en statisk friktions-25 koeffecient på ca. ys = 0,29, hvilket er omtrent dobbelt så højt som ved to ståloverflader i anlæg mod hinanden. Det er derfor også muligt ifølge opfindelsen at forsyne den ene side af tætningsorganet og den tilhørende anlægsflade med en belægning af nikkel, mens de 30 to andre anlægsflader ikke påføres nogen belægning.

Tætningsorganet kan bestå af andre materialer end blødt stål, eksempelvis kan det være af kobber, der på den ene side er påført en friktionsøgende belægning.

35

Claims (5)

1. Tætningsorgan (i) til tætning mellem to mod hinanden fastspændte elementer (2,3), der er af et jernbaseret materiale og har hver sin hovedsageligt plane anlægsflade (5,6), hvor anlægsfladerne ligger 5 over for hinanden på hver sin side af tætningsorganet (1), der er af et metallisk materiale, fortrinsvis blødt stål, kendetegnet ved, at tætningsorganet (1) på den ind mod den ene af anlægsfladerne (4,5) vendende side er påført en friktionsøgende belæg-10 ning omfattende partikler, der er væsentligt hårdere end elementernes (2,3) jernbaserede materiale.

2. Tætningsorgan ifølge krav 1, kendetegnet ved, at belægningen omfatter mindst 20 vægtprocent carbider, bornitrider eller aluminiumoxi- 15 der, der er lejret i en metallisk matrix.

3. Tætningsorgan ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at belægningen er lagt på tætningsorganets (1) ene side ved hjælp af plasmasprøjtning. 20

4. Tætningsorgan ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at tætningsorganet er en tætningsring (1) til anbringelse mellem den nedad-vendene anlægsflade på et cylinderdæksel (2) og den op-advendende anlægsflade på et underliggende cylindervæg-25 selement (3) i en stor totakts forbrændingsmotor.

5. Element (2) til fastspænding mod et andet element (3), hvor elementerne har hver sin hovedsageligt plane anlægsflade (5,6), der ligger over for hinanden på hver sin side af et tætningsorgan (1) k e n -30 detegnet ved, at den ene af anlægs flad erne er påført en friktionsændrende belægning af samme art som belægningen nævnt i et af de foregående krav.