SE0900073A1 - Tätningshylsa - Google Patents

Description

15 20 25 30 a) Kontakttrycket mellan de fasta kropparna kolvring och kolv (yta 4) år lika med: P - (w-(W-c)/2) /(w-c) > P/2 vilket ger god kontakt och god tätning. b) Kontakttrycket mellan de fasta kropparna kolvring och cylindervagg ar lika med: P/2 vilket också ger god tätning. c) Friktion mellan kolvring och cylindervägg: P - h - l - u / 2 (där u är fiiklionskoefiicierrten och l är cylindems omkrets) Trycket av gas och oljeblandningen i tainingspaltema antas variera linjart från ena ändan till den andra Krafter på gnmd av ljådring i kolvringen bortses ifrån.

Av c framgår att friktionen och också friktionen per längdenhet av kolvens omkrets beror av kolvringens höjd h Ju mindre denna kan göras desto mindre kommer friktionen att bli. En mer ingående modellering inkluderande till exempel fiådring och vrangning av kolvringen skulle inte motsâga inte denna slutsats.

För en konventionell kolvring bestäms höj den h av att kolvringen måste kunna motstå vrángning orsakad av tryck- och fiiktionskrafier. Spaltvidden (c i figur 1.) mellan sj älva kolven och cylindervåggen tenderar att ökai proportion med cylinderdiametern För att undvika alltför mycket vrangning görs då kolvringarna större för stora cylinderdiarnetrar aven om trycket P är konstant. Kolvringens höjd h är vanligen proportionell mot cylinderns diameter. 10 20 25 30 I stora skeppsmaskiner ställer då fi-iktionsvärmet stora krav på smörjsystemet och oljans kvalitet. Ett inte ovanligt fel i sådana motorer är så kallad "scufñng" när smörjningen mellan kolvring och cylindervägg fallerar. Detta kan ge upphov till svåra skador i motorn Föreliggande uppfinning gäller minskning av friktionen mellan kolvtätningen och cylinderväggen Ett ändamål är då att öka motoms energiverkningsgrad. Ett annat ändamål är att minska den lokala upphettning som friktionen mellan kolvtätníng och cylinder ger upphov till och därigenom förbättra smörjningen och livslängden Enligt den nya uppfinningen används en tätningshylsa i stället för en tätningsring. I figur 2 visas ett exempel på en sådan tåtningshylsa i enlighet med derma uppfinning och några viktiga mått är utsatta. I denna figur, som visar ett liknande centrumsnitt av en cylinder och kolv somi figur 1 är: 1 kolven, 2 cylinderväggen, 3 tämingshylsart, 4 tätningsoniråde mellan tätningshylsa och kolvspår och 5 är tätningsonirådet mellan tåtníngshylsa och cylindervägg. Det höga trycket antas vara ovanför kolven och tätningshylsan I yttre delen av tätningshylsan 3 finns en ursparning 6 som går rurrt om hylsan. Derma urspårning står i gasledande kontakt med baksidan av tätningshylsan genom flera häl 7 runt om, som utjämna: gastrycken mellan ursparningen 6 och hylsans baksida Detta område 9 är anslutet till det höga trycket ovanför kolven genom spalten 10.

Vid en enkel analys liknande den som tidigare gjordes för den konventionella kolvringen i figur 1 får vi för den nya tätningshylsan i figur 2: a) Kontakttryck mellan de fasta kropparna vid tätningshylsa och kolvringsspår (yta 4) är lika med: P - (w-(w-c)/2) /(w-c) > P/2 vilket ger god kontakt och god tätning. b) Kontakttryck mellan de fasta kropparna vid tätningshylsa och cylindervägg (yta 5) är lika med: P/2 vilket också ger god tätning. 10 20 25 30 c) Friktion mellan kolv och cylindervägg: P - heff- l - u /2 (där u är friktionskoefficienten och l är cylinderväggens omkrets) Eftersom hefi* kan göras mycket mindre än h för en konventionell kolvring i figur 1, kan derma tätningshylsas friktion bli mycket mindre. Trycket i urspamingen 6 är samma som på baksidan av tätningshylsan och ovanför kolven Trycket i spalten 8 kan också anses vara det samma. Tryckskillnaden P verkar alltså bara på en del av tätningshylsarrs totala höjd. Ett alternativt synsätt är att gasen i urspamingen 6 fimgerar som en gaskudde som balanserar en stor del av den kraft som verkar på tätningshylsans innersida För att få tillräcklig förmåga att motstå vrängning av de krafter som orsakas av friktion och gastryck och ändå inte få för mycket fiiktion mot cylinderväggen utformas en konventionell kolvring så att vidden w av ringen är större än eller väsentlige av samma storlek som höjden h av ringen. En tämingshylsai enlighet med föreliggande uppfinning kan utformas med en höjd h som är mycket större än dess vidd w. På grund av gaskudden i urtaget 6 kan detta göras utan att orsaka alltför mycket friktion mot cylinderväggen En stor totalhöjd gör hylsan motståndskraftig mot vrängning även om vidden w är liten.

Ett tredje ändamål med föreliggande uppfimiing är att åstadkomma en kolvtäining som kan motstå vrängning och ändå vara flexibel i radiell led och kunna följa oregelbundenheter i cylindervaggen. En sådan förmåga att anpassa sig efier en icke perfekt cylindervägg minskar låckaget. Det minskar också risken för att det skall uppstå abnormt högt kontakttryck och farliga friktionsförhållanden vid utstickande delar av cylinderväggen Scufling initieras ofiai sådana områden. Flexibiliteten hos en tätningshylsa enligt föreliggande uppfinning gör smörjningsförhållandena bättre. I sådana motorer där Smörjning sker genom kontinuerlig tillförsel av ny smörjolja kan olj edoseringen minskas med åtföljande besparing i driftkostnader.

Vid böjning av en rak balk genom pålagd kraft blir den resulterande höjningen (l/r, där r = böjningsradíe) omvänt proportionell mot yttröghetsmomentet hos balkens tvärsnitt. 10 15 20 25 30 Detta är i sin tur proportionellt mot kuben på tvärsnittets utsträckning i böjningsriktningen För ett föremål, som är böjt redan från början, gäller ett motsvarande samband för dess deformation fiân sin ursprungliga form. En tätningshylsa i enlighet med föreliggande uppfinning kan med fördel utformas med en vidd w som är mindre än en tredjedel av dess höjd h En minskning av vidden w till en tredjedel medan andra omständigheter hålles konstanta ändrar tvärsnittets yttröghetsmoment till 1/27 av dess ursprungliga värde. Den kraft som behövs för att anpassa tätningshylsan till oregelbundenheter i cylinderväggen minskas alltså med en faktor 27. Detta utan man behöver byta fi'ån konventionella och beprövade konstruktionsmaterial.

En tätningshylsa enligt föreliggande uppfinning utformas företrädesvis med mindre vidd än en konventionell kolvring. Vid användning i äldre motorer skulle det ibland vara fördelaktigt att kunna använda de gamla kolvringsspåren också för de nya tätningshylsorna med mindre vidd. Detta kan göras om en tyllnadsring placeras innanför tätningshylsan och fyller upp det tomma utrymmet och håller tätningshylsan på plats. I andra fall kan höjden av spåret i kolven ökas i spårets yttre del både uppåt och nedåt och en ny högre tätning i enlighet med föreliggande uppfinning passas in i det resulterande yttre spåret medan den kvarvarande delen av det djupare spåret inte stör bakom mitten av hylsan.

En viktig sak hos den nya täiningshylsan är att ursparningen 6 i den yttre ytan står i gasledande förbindelse med högtryckssidan av kolven. Detta gör att ursparningen verkar som en gaskudde mellan tämingshylsan och cylinderväggen. Denna gaskudde balanserar en del av krafien från det tryck som verkar på baksidan av hylsan I det utförande som visas i figur 2 sker gasförbindelsen genom hål 7 genom hylsan till omrâdet bakom hylsan 9. Detta i sin tur är i kontakt med högtryckssidan av kolven genom den spalt 10, som uppstår mellan tätningshylsa och spårkant vid högtryckssidan av tärningen. Alternativt, kan man, när det höga trycket alltid är på ena sidan av tärningen, vilket oftast är fallet, åstadkomma en sådan gasledande förbindelse mera direkt genom vertikala hål eller spår ll i den övre delen av tåtningshylsan (under antagande att det högre trycket är ovanför tätningen för en vertikalt arbetande kolv). De två alternativen visas i figurema 3 och 4. 10 15 20 25 30 En konventionell kolvring tenderar att slitas mer vid sin övre och undre del och dårför ha en något konvex yttre yta I själva verket år en sådan konvex eller tunnformad yttre yta något som ofta tillhör konstruktionen. I vilket fall som helst ger en sådan konvex yta inte något stöd mot att ringen vrånger sig på grund av friktionen och gastrycket och spalten mellan kolv och cylinder. För att motstå sådan vrångning måste ringen ha intern styvhet och en stor vidd (w). För en tätningshylsai enlighet med föreliggande uppfinning är situationen annorlunda Det finns ingen konvex ytteryta att rulla mot utan två olika och med ett visst avstånd separerade kontaktytor. Detta galler aven en sliten hylsa.

Kontaktytan 8 i figur 2 mellan tåtningshylsan och cylinderväggen har ingen tåtande fimktion. Så läge kontakt existerar där betyder det att hylsan ligger i rått låge. Medan en konventionell kolvring måste ha egen styvhet för att inte vrångas hålls en kolvtåtrring i enlighet med föreliggande uppfinning odeformerad och stöttad av cylindervåggen Kontaktkrafien vid 8 fås av hylsans ljådringsförrnåga hjälpt av hylsans tendens att tippa utåt av trycket uppifrån och spalten mellan kolv och cylindervågg. Kontaktkrafien vid 5 i figur 2 år ett direkt resultat av trycket bakom tätningen Trycket håller således bagge ytoma mot cylindervaggen och tåmingshylsan kan göras tunn och flexibel (litet w i figur 2) utan risk för vrångning. Tippningstendensen kan förstärkas och göras oberoende av spalten mellan kolv och cylinder genom borttagning av material från yttre delen av nederdelen (lågtrycksdelen) av tåtningshylsan så att vridningspunkten flyttas inåt från spårets ytterkant. Detta åstadkoms genom avfasning eller rundning av den yttre delen av lågtrycksåndan av tàtningshylsan så att når derma tåtar mot kolvspârets sida dess kontaktyta mot kolvspårets sida slutar inom kolvspåret. Se figur 5 där 1 är kolven, 2 är cylindervåggen och 3 år tâtningshylsan med material borttaget från nederdelen vid 12 så att vridningspunkten för tippning flyttats i riktning från cylindervåggen Denna flytt av vridningspunkten minskar också risken för utmattningsskador vid kolvspàrets ytterkant l4. Alternativt kan en motsvarande elïekt uppnås genom borttagning av material från yttre delen av spåret vid 14 såsom visas av den streckade linjen i figur 5.

Till skillnad från situationen vid konventionella kolvringar ger en sådan förflyttning av vridningspunkten fi-ån cylindervåggen inte upphov till en ökad tendens till vrångning.

I ovanstående beskrivningar har för enkelhetens skull situationen där bara en tåtningsanordning använts och där det höga trycket i cylindern har verkat uppifrån beskrivits. Uppfinningen är inte begränsad till detta speciella fall utan är lika applicerbar i andra orienteringar och vid användande av flera tâtningsanordningar i serie såsom vanligen är fallet vid användande av konventionella kolvringar. Ersätt då trycket från ovan eller trycket ovan kolven med trycket på högtryckssidan av anordningen

Claims (5)

10 15 20 25 30 PATENTKRAV

1. Tämingshylsa för tätning mellan kolv och cylinder i förbrämaingsmotorer att placeras i ett spår i den yta av kolven som vetter mot cylinderväggen karakteri s er ad av att dess höjd (h) i kolvens rörelserikming är mer än tre gånger dess vidd (w) i cylinderradiens riktning och att dess yttre mot cylinderväggen vettande yta är utformad med en rimt om gående ursparning som har en förbindelse med den sida av kolven där gastrycket är störst. Sagda förbindelse av sådan karaktär att gastryck utjämnas genom den

2. Tätningshylsa enligt krav 1 kar akt eri s e r ad av att den sagda förbindelsen är utformad som hål genom tätningshylsan från ursparningen till den sida av tätningshylsan som vetter fiân cylinderväggen

3. Tätningshylsa enligt krav 1 kar akt eri s e r ad av att den sagda förbindelsen är utformad som spår i den yta av tätningshylsan som vetter mot cylinderväggen Sagda spår sträckande sig från ursparningen i tätningshylsan till den del av hylsan där gastrycket är högst.

4.Tä1:ningshy1sa enligt krav l,2,3 eller 4 karakteri s erad av att den kant av tätningshylsan där gastrycket är lägst och som gränsar mot cylinderväggen är avrundad eller avfasad så att tätningshylsan när den tätar mot kolvspårets sida vilar mot en yta som inte sträcker sig fram till kolvspårets kant.

5. Anordning för tätning mellan kolv och cylinder i förbränningsmotorer som använder en tätningshylsai enlighet med krav 1,2 eller 3 karakteri s erad av att tämingshylsan är placerad i ett kolvspår där yttre kanten av spåret på den sida där trycket är lägst är rundad eller avfasad.