Informacje techniczne

W celu zapoznania Klientów z pojęciami i oznaczeniami dotyczącymi pierścieni tłokowych oraz parametrami mającymi wpływ na ich prawidłowe funkcjonowanie, zamieszczone zostały informacje o rodzajach pierścieni, szczegółach konstrukcyjnych, typach sprężyn spiralnych, powłokach i pokryciach oraz materiałach używanych do produkcji pierścieni tłokowych marki MAR-MOT.

Pierścienie i ich zadania

Pierścienie tłokowe są metalowymi uszczelnieniami mającymi na celu zapobieganie przeciekom oraz przedmuchom gazów pomiędzy komorą spalania a skrzynią korbową oraz zapewnienie przepływu ciepła z tłoka na cylinder. Ponadto pierścienie tłokowe mają za zadanie ograniczyć nadmiar oleju niezbędnego do prawidłowego funkcjonowania układu pierścień – tłok – cylinder przed przenikaniem do komory spalania oraz utworzenie jednolitej warstwy oleju na powierzchni roboczej cylindra (zobacz rys. 1.3).

Dla osiągnięcia powyższych celów pierścienie tłokowe muszą mieć poprawny kontakt z powierzchnią roboczą cylindra oraz z powierzchnią boczną rowka tłoka. Oddziaływanie promieniowe zapewnia głównie naturalna siła sprężystości pierścienia. Ciśnienie gazów w komorze spalania zwiększa nacisk zarówno promieniowy (oddziaływanie na rowek tłoka) oraz osiowy, co powoduje poprawę właściwości uszczelniających pierścienia. Kontakt osiowy jest naprzemienny pomiędzy górną a dolną powierzchnię rowka tłoka z powodu oddziaływania gazów, bezwładności oraz siły tarcia (zobacz rys. 2.3).

Właściwości eksploatacyjne pierścieni tłokowych, czyli ich sprawność uszczelniania są wypadkową budowy silnika, tłoka, cylindra oraz ich wykończenia, zastosowanego oleju i paliwa, a przede wszystkim ich jakości technicznej i odpowiednio dobranych typów pierścieni.

Podstawowe parametry

W celu prawidłowego i jednoznacznego zrozumienia poniższych definicji zalecane jest zapoznanie się z następującymi rysunkami  (zobacz rys. 17.1)

PARAMETRSYMBOLJEDNOSTKA
wysokość pierścienia

a) pierścienie równoległoboczne

– odległość pomiędzy powierzchniami bocznymi pierścienia, mierzona w dowolnym punkcie prostopadle do powierzchni odniesienia (zobacz rys. 1.1rys. 2.1 oraz rys. 18.1)

b) pierścienie trapezowe

– odległość pomiędzy powierzchniami bocznymi pierścienia, mierzona w określonej odległości a6 od powierzchni roboczej pierścienia (zobacz rys. 3.1)

 

h1

 

h3

 

 

mm 

 

mm 

 

szerokość promieniowa pierścienia

– odległość pomiędzy roboczą a wewnętrzną powierzchnią pierścienia (zobacz rys. 4.1 oraz rys. 19.1)

a1mm
całkowity luz zamka

a) odległość pomiędzy zakończeniami pierścienia w stanie wolnym, mierzona w połowie wartości szerokości promieniowej (zobacz rys. 5.1)

b) dla pierścieni z zabezpieczeniem wewnętrznym szczelina w stanie wolnym jest mierzona w miejscu oznaczonym na rysunku jako (zobacz rys. 6.1)

m

p

mm

mm

szczelina w stanie zamkniętym (luz zamka)

– odległość pomiędzy zakończeniami pierścienia zamkniętego w cylindrze o średnicy nominalnej odpowiedniej dla danego pierścienia, mierzona w najwęższym punkcie szczeliny (zobacz rys. 7.1)

s1mm 
siła styczna

– siła potrzebna do utrzymania w stanie zamkniętym pierścieni jednoczęściowych (zobacz rys. 8.1) oraz wieloczęściowych (zobacz rys. 9.1)

FtN 
owalizacja

– różnica pomiędzy dwoma prostopadłymi wobec siebie średnicami d3 oraz d4 podczas gdy pierścień znajduje się w stanie zamkniętym. Może być zarówno dodatnia (d3 > d4) jak i ujemna (d3 < d4) (zobacz rys. 10.1)

Umm
szczelność

– zdolność krawędzi powierzchni roboczej pierścienia zamontowanego w cylindrze o jego nominalnej średnicy do nie przepuszczania światła (zobacz rys. 11.1)

pierścień przepuszczający światło niewyraźne lub punktowo jest uznawany za pierścień szczelny

procenty
stożkowatość powierzchni roboczej pierścienia

– stożkowatość jest celowym odstępstwem od prostopadłości powierzchni roboczej pierścienia w stosunku do powierzchni podstawy (zobacz rys. 12.1)

stopnie
baryłkowatość powierzchni roboczej pierścienia

– baryłkowatość jest celowym odstępstwem wypukłości powierzchni roboczej pierścienia od linii prostopadłej w stosunku do powierzchni podstawy (zobacz rys. 13.1)

t2, t3mm 
grubość powłoki

– odległość pomiędzy zewnętrzną powierzchnią powłoki a powierzchnią materiału, z którego wykonany jest pierścień (zobacz rys. 14.1)

mm
kąt trapezu

– kąt tworzony przez obie powierzchnie boczne pierścienia trapezowego (zobacz rys. 15.1)

stopnie
wysokość półek pierścienia

– wysokość powierzchni roboczej stykającej się z powierzchnią cylindra w pierścieniach olejowych (zobacz rys. 16.1)

h4, h5mm

Powyższe definicje są zgodne z normą ISO 6621/2 – Internal combustion engines – Piston rings – Part 2: Inspection measuring principles.

Rodzaje pierścieni

Pierścienie tłokowe można podzielić na trzy grupy ze względu na funkcje jakie one pełnią. Grupy te zostały opisane poniżej oraz wyszczególniono najczęściej występujące w nich typy pierścieni.

Pierścienie uszczelniające

Pierścienie mające na celu głównie zapobieganie przedmuchom gazów pomiędzy powierzchnią boczną tłoka a powierzchnią roboczą cylindra. Pełnią one rolę uszczelnienia komory spalania. Przyjmuje się, że odpowiadają za około 80% całkowitego uszczelnienia.

NAZWA TYPUOZNACZENIE ISO*OZNACZENIE PL**RYSUNEK
pierścień prostokątny (prosty)RR
pierścień prostokątny ze stożkiem (minutowy)MRS
pierścień trapezowy 6°TT6
pierścień trapezowy 15°KT15
pierścień trapezowy jednostronny 7°HKT7J

Pierścienie zgarniające

Pierścienie nie posiadające okienek, mające na celu głównie zgarnianie nadmiaru oleju oraz resztek nagarów z powierzchni roboczej cylindra. Spełniają one również funkcję drugiego pierścienia uszczelniającego.

NAZWA TYPUOZNACZENIE ISO*OZNACZENIE PL**RYSUNEK
pierścień walcowyEZW
pierścień walcowy ze stożkiemEMZS
pierścień noskowyNN
pierścień noskowy ze stożkiemNMNS

Pierścienie olejowe

Pierścienie posiadające okienka lub równoważne otwory mające na celu usuwanie nadmiaru oleju z powierzchni roboczej cylindra oraz odprowadzanie go do skrzyni korbowej poprzez otwory w tłoku. Występują one jako pierścienie jednoczęściowe (bez sprężyny spiralnej), dwuczęściowe (ze sprężyną spiralną) oraz pierścienie wieloczśćciowe tzw. pierścienie olejowe składane stosowane w silnikach benzynowych, spośród których ze względu na konstrukcję (kształt sprężyny) wyróżnia się trzy typy – U / S / H – flex.

NAZWA TYPUOZNACZENIE ISO*OZNACZENIE PL**RYSUNEK
pierścień olejowy walcowySOW
pierścień olejowy daszkowyDOD
pierścień olejowy jednostronnie ściętyGOJ
pierścień olejowy walcowy ze sprężynąSSFOWE
pierścień olejowy daszkowy ze sprężynąDSFODE
pierścień olejowy jednostronnie ścięty ze sprężynąGSFOJE
pierścień olejowy daszkowy chromowany ze sprężyną  z profilowaną powierzchnią rowkaDSF-COE
pierścień olejowy daszkowy chromowany ze sprężyną z nieprofilowaną powierzchnią rowkaDSF-CNPOE
pierścień olejowy składanyESU / S / H – flex

* ISO 6621/4 – Internal combustion engines – Piston rings – Part 4: General specifications
** PN-90/S-36507 – Silniki spalinowe – Pierścienie tłokowe żeliwne o średnicach do 200 mm

Szczegóły konstrukcyjne

Poprzez wprowadzenie modyfikacji przekroju pierścienia tłokowego polegających na dodatkowym kształtowaniu jego krawędzi można wpływać na zdolność przylegania powierzchni roboczej pierścienia do powierzchni roboczej cylindra. Zjawisko to określa się jako skręcenie pierścienia tłokowego. W zależności od położenia szczegółu konstrukcyjnego na krawędzi pierścienia skręcenie może być dodatnie (IF oraz IW), co spowoduje zwiększenie nacisku na powierzchnię roboczą cylindra dolnej krawędzi pierścienia, bądź ujemne (IFU oraz IWU), które to zapewni wzmocniony nacisk górnej krawędzi pierścienia na powierzchnię roboczą cylindra. Pierścienie tłokowe tego typu stosowane są w silnikach diesla oraz benzynowych, głównie jako pierścienie uszczelniające (ew. zgarniające).

NAZWAOZNACZENIE ISO*RYSUNEK
załamanie krawędzi zewnętrznychKA
załamanie krawędzi wewnętrznychKI
skos wewnętrzny górnyIF
skos wewnętrzny dolnyIFU
uskok wewnętrzny górnyIW
uskok wewnętrzny dolnyIWU

* ISO 6621/4 – Internal combustion engines – Piston rings – Part 4: General specifications

Rodzaje zamków pierścieni

Zamek pierścienia tłokowego stanowi przecięcie wzdłuż promienia pierścienia. Przecięcie może przybierać różne kształty stosowane w zależności od warunków pracy oraz zadania jakie pierścień ma spełniać. W silnikach dwusuwowych mają zastosowanie zabezpieczenia w zamkach pierścieni w celu zapobieżenia obrotowi osiowemu pierścienia na tłoku (np. zamek B4 oraz B9). Pierścienie o zamkach skośnych (B2), hakowych (B3) i nakładkowych (B8) stosowane są w urządzeniach hydraulicznych.

NAZWAOZNACZENIERYSUNEK
zamek prostyB1
zamek skośnyB2
zamek hakowyB3
zamek z zabezpieczeniem wewnętrznym kształtowymB4
zamek nakładkowyB8
zamek z zabezpieczeniem na płaszczyźnie czołowejB9

Rodzaje sprężyn spiralnych

Sprężyny spiralne są integralną częścią pierścieni olejowych, dwuczęściowych. Stosowane są one w celu zwiększenia nacisku powierzchni roboczych pierścienia olejowego (półek – patrz podstawowe parametry pierścieni tłokowych) na powierzchnią roboczą cylindra.

W pierścieniach marki MAR-MOT stosowane są zazwyczaj sprężyny spiralne typu CSE. Sprężyna ta cechuje się zmiennym skokiem oraz szlifowanym obwodem, co zapewnia równomierne rozłożenie siły nacisku na całym obwodzie pierścienia tłokowego oraz dzięki zwiększonej powierzchni styku pomiędzy pierścieniem a sprężyną ułatwia współpracę tych elementów zapobiegając zakleszczaniu się sprężyny w rowku pierścienia olejowego.

Poniżej wyszczególnione zostały typy sprężyn spiralnych stosowanych w pierścieniach tłokowych, ich oznaczenie oraz rysunek techniczny.

Dodatkowo zamieszczone zostały zdjęcia przedstawiające poprawny sposób zamontowania sprężyny typu CSE w rowku pierścienia (zobacz fot. 34.2).

NAZWAOZNACZENIE ISO*RYSUNEK
sprężyna nieszlifowana ze stałym skokiemCSNrys. 31.2
sprężyna szlifowana ze stałym skokiemCSGrys. 32.2
sprężyna szlifowana ze zmiennym skokiemCSErys. 33.2

* ISO 6626 – Internal combustion engines – Piston rings – Coil-spring-loaded oil control rings

Materiały

Pierścienie tłokowe narażone są na zmienne warunki mechaniczne, wysoką temperaturę oraz wysokie ciśnienie. Powyższe czynniki narażają pierścienie na odkształcenia, utratę sprężystości oraz przedwczesne zużycie mechaniczne, co w konsekwencji prowadzi do pogorszenia właściwości eksploatacyjnych zespołu pierścień – tłok – cylinder.

W celu zapewnienia optymalnej i długotrwałej pracy pierścienie tłokowe marki MAR-MOT wykonywane są z następujących materiałów.


Żeliwo szare

oznaczenie MAR-MOT:STD
oznaczenie ISO 6621-3:MC 13
zastosowanie:pierścienie uszczelniające, zgarniające, olejowe
skład chemiczny [%]:
C:3,2~4,0
Si:2,3~3,1
Mn:0,5~1,0
P:0,25~0,60
S:≤0,15
Cr:≤0,4
Cu:≤0,5
właściwości mechaniczne
 twardość:97~108 HRB
wytrzymałość na zginanie:≥392 MPa
moduł sprężystości:100±15 GPa
utrata sprężystości %:300°C x 3h, 12%

 

100:1
500:1 (trawiony HNO3)

 Żeliwo sferoidalne

oznaczenie MAR-MOT:KV1
oznaczenie ISO 6621-3:MC 53
zastosowanie:pierścienie uszczelniające, zgarniające, olejowe o niskiej wysokości
skład chemiczny [%]:
C:3,2~4,0
Si:2,3~3,2
Mn:≤0,6
P:≤0,1
S:≤0,06
Mo:≤0,3
Cu:≤0,5
Mg:≤0,1
właściwości mechaniczne
 twardość:100~112 HRB
wytrzymałość na zginanie:≥1300 MPa
moduł sprężystości:≥150 GPa
utrata sprężystości %:300°C x 3h, 8%

 

100:1
500:1 (trawiony HNO3)

Stal

oznaczenie MAR-MOT:St-A
oznaczenie ISO 6621-3:MC 63
zastosowanie:pierścienie uszczelniające
skład chemiczny [%]:
C:0,50~0,60
Si:1,20~1,60
Mn:0,50~0,80
P:max 0,025
S:max 0,025
Cr:0,50~0,80
właściwości mechaniczne
 twardość:50~60 HRC
wytrzymałość na zginanie:1700~2200 MPa
moduł sprężystości:≥205 GPa

 

 

 

 

 

 

 

 

 


oznaczenie MAR-MOT:St-B
oznaczenie ISO 6621-3:MC 68
zastosowanie:pierścienie olejowe składane (blaszki)
skład chemiczny [%]:
C:0,60~0,75
Si:0,15~0,30
Mn:0,50~0,90
P:max 0,020
S:max 0,020
właściwości mechaniczne
 twardość:45~55 HRC
wytrzymałość na zginanie:1400~2000 MPa
moduł sprężystości:≥205 GPa

 

 

 

 

 

 

 

 

 


oznaczenie MAR-MOT:St-C
oznaczenie ISO 6621-3:MC 67
zastosowanie:pierścienie olejowe składane (sprężyny)
skład chemiczny [%]:
C:~0,04
Si:~0,50
Mn:~1,00
Cr:~18,00
Ni:~9,00
właściwości mechaniczne
wytrzymałość na zginanie:1000~2000 MPa
moduł sprężystości:≥190 GPa

Powłoki i pokrycia

Pierścienie tłokowe marki MAR-MOT dostarczane są, w zależności od wymagań Klienta, z wykorzystaniem powłok twardych oraz pokryć zabezpieczających. Poniżej zostały one wymienione i scharakteryzowane.

Powłoki twarde

W celu wydłużenia żywotności zarówno pierścieni tłokowych jak i powierzchni roboczej cylindra stosuje się powłoki twarde, do których zaliczyć można: powłokę chromową i powłokę molibdenową.

Powłoka chromowa (Cr)

Najpopularniejszą i zarazem cechującą się wysoką odpornością na ścieranie jest powłoka chromowa. Stosuje się ją głównie na powierzchniach roboczych pierścieni uszczelniających, gdzie temperatura oraz ciśnienie są najwyższe oraz pierścieni olejowych ze względu na wysoki nacisk jednostkowy.

Powłoka molibdenowa (Mo)

Powłoka molibdenowa charakteryzuje się niezwykle wysoką odpornością na ścieranie, dodatkowo wydajnie przewodzi ciepło, co ułatwia jego oddawanie z tłoka na cylinder oraz dzięki lekko porowatej powierzchni, która absorbuje cząsteczki oleju – zapobiega zacieraniu się pierścieni tłokowych w cylindrze.

Pokrycia zabezpieczające

W celu ulepszenia właściwości eksploatacyjnych oraz zabezpieczenia pierścieni tłokowych przed korozją stosuje się między innymi następujące pokrycia zabezpieczające: pokrycie fosforanowe, pokrycie cynowe oraz oksydację.

Pokrycie fosforanowe (P)

Pokrycie fosforanowe jest pokryciem miękkim, umożliwia ono szybsze dotarcie się pierścieni tłokowych w początkowym okresie eksploatacji oraz zabezpiecza powierzchnię przed korozją.

Oksydacja (Ox)

Oksydowanie jest stosowane głównie na powierzchniach bocznych blaszek pierścieni olejowych składanych. Pokrycie tego typu cechuje się niską grubością oraz zabezpiecza powierzchnię przed korozją.

Pokrycie cynowe (Sn)

Pokrycie cynowe cechujące się bardzo niską twardością i ułatwia pracę pierścienia na tłoku poprzez zmniejszenie siły tarcia.