Gépészet | Tanulmányok, esszék » dr. Pordán Mihály - Az olajlehúzó gyűrűk

motortechnika Az olajlehúzó gyûrûk Az egyre szigorodó tüzelõanyag-felhasználásra és a károsanyag-kibocsátásra vonatkozó elõírások nem hagyják érintetlenül a motor olajfogyasztását sem, napjaink kiemelt feladata a motor olajfogyasztásának a csökkentése. A Federal-Mogul Bursched GmbH, a Goetze AG jogutódja, az olajlehúzó gyûrûk továbbfejlesztésének az optimalizálásával járul hozzá ezen elõírások teljesítéséhez. Az olajfogyasztás nagy befolyással bír az autó károsanyag-kibocsátására és az olajcsere intervallumára. Az olajfogyasztásra az elsõdleges motoralkatrészek – a szelepek, a dugattyúk és a turbótöltõ – mellett lényeges befolyása van a dugattyúknak és a dugattyúgyûrûknek. A hengerfurat esetében az olajfogyasztásra a legnagyobb hatással az ideális alaktól való eltérés, a henger elhúzódása és a futófelület felületi érdessége van. Nagy befolyással rendelkezik továbbá a tükrösített (hónolt)

furatfelszín alakjára, topográfiájára is. Vizsgálatok támasztják alá, hogy az érdesség csökkentésével az olajfogyasztás terén kedvezõ eredmények érhetõk el. A dugattyúgyûrû-tömítés feladata az égéstér elválasztása a forgattyúháztértõl, és a dugattyúkról a hõ elvezetése a hengerek felé. Meg kell akadályoznia a kenéshez nem szükséges olaj átjutását a forgattyúház terébõl az égéstérbe, de egyidejûleg gondoskodnia kell az egyenletes olajfilmréteg kialakításáról is. Mindezek mellett az 22 olajfogyasztást alapvetõen a dugattyúgyûrûrendszer kialakítása határozza meg, ide sorolva a dugattyút, a hengert, a motorolajat és a motorépítés koncepcióját is. A dugattyúgyûrûk közül az olajfogyasztásra legnagyobb befolyása természetesen az olajlehúzó gyûrûnek van, nem hagyva figyelmen kívül azt a tényt, hogy a gyûrûkészlet súrlódásának 50–60%áért is az olajlehúzó gyûrû a felelõs. Az olajlehúzó

gyûrûvel kapcsolatos fejlesztések elsõsorban a felületi nyomás csökkentésével elérhetõ súrlódás mérséklésével kapcsolatosak. Az alábbi cikkben ezeket a kérdéseket taglaljuk. változások résztvevõi. 1980 óta az európai motorokban alkalmazott olajlehúzó gyûrûk típusai az alábbi csoportokba sorolhatók be: – egyrészes (öntvény, vagy acél olajlehúzó gyûrû tömlõrugó nélkül), – kétrészes (öntvény, vagy acél olajlehúzó gyûrû tömlõrugóval), – háromrészes (rugózó elemes és két acélszalagos gyûrû). Az egyes motorszegmensek közötti megoszlásukat mutatja be az 1. ábra A dízel személygépkocsiknál mintegy 95%-kal vezet a rugóval segített (rugófeszítésû) kétrészes olajlehúzó gyûrû. A tömlõrugós változatokat, Az olajlehúzó gyûrûk típusai melyeket a 2. ábrán láthatunk, napjaA motorok konstrukciós fejlõdésével inkban dízelmotorokban sem a együtt a dugattyúgyûrûk is az állandó

futófelületén krómozott öntvény-, sem a nitridált acélgyûrûs 100% változatban nem használDízelmotor 80% ják. Nagy igénybevétel esetén a kitûnõ kopás60% állóságú CKS 38-as krómkerámia védõréteg kerül 40% kétrészes alkalmazásra. 20% egyrészes, Az Otto-motorokban 1990 illetve háromrészes 0% óta a háromrészes rendsze1980 1990 2000 rek aránya 20%-ról mintegy 50%-ra növekedett. A 100% Otto-motor tömlõrugós gyûrûké viszont 80% ennek megfelelõen vissza- Olajlehúzó gyûrûk az európai személygépkocsik Ottoés dízelmotorjainál 60% 40% háromrészes 20% kétrészes egyrészes 0% 1980 1990 2000 1. ábra: az olajlehúzó gyûrûk megoszlása autótechnika 2002/12 motortechnika A tangenciális erõ a gyûrûvégek két homloklapján ébredõ és a gyûrût a gyûrûhézag értékére összehúzó erõ. Nem bevont öntvénygyûrûk jellemzõen 2 0,8–1,5 N/mm felületi nyomással futnak. Krómozott tömlõrugós gyûrûk

személygépkocsi-dízelmotorokban 2 Axiális gyûrûmagasság általában 1,5–2,5 N/mm fajlagos Tömlõrugós gyûrû, letört sarkú SS-50-gyûrû felületi nyomással rendelkeznek. futóélekkel, krómozott A dugattyúgyûrû axiális Különösen az alumíniumból készülõ 2 magassága a harmadik dízelmotorok 2 N/mm -nél jelentõsen horonyban, az utóbbi 20 nagyobb nyomást igényelnek, a évben jelentõsen csökkent. Ez nagyobb hengerelhúzódás miatt egyaránt érvényes az Otto- és A háromrészes olajgyûrûk felületi a dízelmotorokra. Míg 1980nyomásának a számításához az Tömlõrugós gyûrû, letört sarkú VF-gyûrû ban a motorok több mint axiális rácsmagasságot kell figyelemfutóélekkel, nitridált kétharmadánál 4 mm felett be venni. Mivel az acélszalag gyûrû volt a gyûrû magassága, futófelületének a kontúrja ívelt, a addig 1990 körül a motorok háromrészes gyûrû ténylegesen zöménél ez az érték már fellépõ felületi nyomása

a csekély ≅≅ 3 mm-re csökkent. felfekvõ felülete miatt lényegesen A jelenlegi számok trendje, nagyobb, mint a hagyományos 2. ábra: a két- és háromrészes olajlehúzó gyûrûk különösen a benzinmotoroktömlõrugós gyûrûknél. típusai nál, 2–2,5 mm magas olajleAz optimális olajfogyasztás szemhúzó gyûrûvel számol. A 3,5– pontjából nézve nagy fajlagos esett annak ellenére, hogy kedvezõ 4 mm magasságú gyûrûket egyszerû- nyomás szükségessége áll szemben mûködésük, élettartamuk és könnyû en nem alkalmazzák (3. ábra) a lehetõ legkisebb súrlódási értékkel. szerelhetõségük miatt ma is elõszereA hõ és a kopás következtettel szerelt tömítõelem. Az egyrészes tében csökken a tangencigyûrûk alkalmazása egyre szûkebb 100% ális erõ. Ezért olyan Otto-motor körre korlátozódik, elõtérbe kerülnek 80% rugóparamétereket kell >=4 mm a nem bevont öntvény-, vagy a megvalósítani, melyek 3,5 mm 60% nitridált

acélgyûrûk. lehetõvé teszik a problé3 mm A háromrészes olajlehúzó gyûrûk 40% 2,5 mm mamentes szerelést fokozott felhasználásának gazdasá2 mm sorozatgyártás esetén, és 20% gossági és mûszaki fejlesztési okai is egyidejûleg korlátozzák vannak. A rugórendszerek megnövelt 0% az üzemeltetés során 1980 1990 2000 axiális irányú stabilitásukkal (MFfellépõ tangenciális erõ kivitel) kedvezõbb mûködési feltételek100% csökkenését. A nem kel rendelkeznek, mint a régebbi VFDízelmotor nitridált háromrészes 80% kivitelûek (2. ábra) 4 mm olajlehúzó gyûrûk itt A krómozott acélszalagból készülõ 60% 3,5 mm hátrányban vannak a gyûrûk és a nem nitridált rugók ma 3 mm nitridált rugóelemekkel és 40% még széles körben használatosak, 2,5 mm a tömlõrugós olajlehúzó de nagy terhelés esetén élettartamuk 20% 2 mm gyûrûkkel szemben. nem kielégítõ. A nagyobb élettartam 0% Otto- és dízelmotoroknál a elérése érdekében,

fõleg az alumíni1980 1990 2000 kétrészes olajlehúzók umból készülõ motortömbök esetén, sikeresen használhatók a 3. ábra: gyûrûmagasságok %-os megoszlása a nagyobb elhúzódás miatt alapköve0,2 mm alatti szélességû 1980–2000 között, személygépkocsi-motorban telmény a háromrészes olajlehúzó futófelületükkel. Hasonlóan gyûrû rendszerek alkalmazása sikeresen építhetõk be a nitridált rugókkal és nitridált acélszakétrészes olajgyûrûk, percformájú futó lag gyûrûkkel. Mérlegelésre adhatperemükkel Elõnyük a felületi nyomás Szorító nyomás nak okot viszont a dugattyún, a növekedése a bejáratás során. csapszegfurat környezetében szabaTömlõrugós gyûrû, letört sarkú futóélekkel MF-gyûrû don kiálló, éles végzõdésû dugattyúgyûrû-hornyok: ilyen jellemzõkkel rendelkezõ dugattyúknál a háromrészes rendszer alkalmazása bizonyos esetekben problémás lehet. Biztosabb megoldást jelent ilyenkor az

autótechnika 2002/12 axiális irányban merevebb, kétrészes olajlehúzó gyûrû beszerelése, a horony fokozott kiverõdésének elkerülése érdekében. Az olajlehúzó gyûrû felületi nyomása a dugattyúgyûrût a hengerfuratra szorítja, melynek értéke egyenesen arányos a tangenciális erõ nagyságával és fordítva, a dugattyúgyûrû átmérõjével (d) és a magasságával (h). Alakkitöltési képesség Alakkitöltési képesség alatt a gyûrûknek azt a képességét értjük, amellyel követni tudják a hengerfuratnak a hõ- 23 motortechnika A kis súrlódási igénybevétel, párosítva nagy alakkitöltési tényezõvel, kedvezõ rugójellemzõkkel és jó szerelhetõséggel vezetett a Formflex fantázianevû új olajlehúzó gyûrû (4. ábra) kifejlesztéséhez A nagy rugalmasságot a gyûrûoldalak különleges kialakításával érték el, mellyel az alakkitöltési tényezõ a hagyományos két- és háromrészes gyûrûkének a többszörösére

változott. A kopásállóságot a megfelelõ acélminõség kiválasztása garantálja. Az olajfogyasztás motorikus vizsgálati eredményei Az elõzõekben bemutattuk a gyûrû magasságváltozását az évek múlásával. A csökkentésének az olajfogyasztásra gyakorolt tényleges 24 mini alakú rendszer, h = 2 mm 25 letört futóélû gyûrû, h = 2 mm GOE 13 krómozva, Ft = 38 N 20 profilos acél, h = 2 mm, Ft = 30 N Olajfogyasztásvizsgálatok dízelmotorokon 15 A korszerû dízelmotorok dugattyúkialakítása jelenleg még nem 5 sürgeti az olajlehúzó gyûrû magasságának a 0 mérséklését, de a 0–21 óra 22–41 óra 42–61 óra teljesítmény növelése, a nagyobb égési csúcs 5. ábra: Otto-motor olajfogyasztása különbözõ gyûrûk nyomások egyre használata esetén növekvõ követelményeket támasztanak a dugattyúfenékkel és a dugattyúcsapbefolyását 3 mm magas profilos acélgyûrû és különbözõ fajtájú, 2 mm pal szemben, elõrevetítve

ezzel az olajlehúzó gyûrûk magasságának a magas gyûrûk között végzett összecsökkentési igényét. hasonlító vizsgálattal elemezték. A Goetze különbözõ dízelmotorokon A kapott eredmények az 5. ábrán végzett kísérleteket 2 mm magas, láthatók. krómozott, letört futóperemû tömlõruA pozitív hatást a mintegy 65%-os gós gyûrûkkel, összehasonlítva olajfogyasztás-csökkenés mutatja, 3 mm-es hasonló gyûrûkkel. Minden függetlenül attól, hogy kétrészes, esetben jelentõs olajfogyasztásháromrészes profilos, acél vagy csökkenést értek el. öntvény alapú kialakításról van szó – Ezek az eredmények az érintkezõ tömlõrugóval ellátva. gerincelemek kismértékû sugárirányú Az eredményeken felbuzdulva, eltolásával voltak elérhetõk, figyegömbgrafitos, 1,5–1,75 mm vastag lembe véve a másodlagos dugattyúöntöttvas gyûrûvel tömlõrugós mozgással összefüggõ dugattyúbillekivitellel is sikeres vizsgálatokat nést

(9. ábra) A 2 mm-es gyûrûnél végeztek, melyeknek gyártástechnológiai szempontból nagy sorozatgyártáletört futóélû gyûrû GOE 13, Ft = 25 N mini alakú rendszer, Ft = 25 N sa meg is valósíthaprofilos acélgyûrû, Ft = 25 N 120% tó (6. ábra) Formflex-gyûrû, 25 N A 6. ábrán pedig 100% ugyancsak egységesen 2 mm magassá80% gú, különbözõ olajlehúzó gyûrûkkel 60% elért eredmények láthatók, összeha40% sonlítva az új fejlesztésû Formflex 20% gyûrûkkel. 4000/50 Nm Teljes terhelés/változó 6000/teljes terheléssel 10 olajfogyasztás %-ban 4. ábra: legújabb fejlesztésû Formflexgyûrû profilos acél, h = 3 mm (referencia) olajfogyasztás, g/ó és mechanikai terhelés hatására bekövetkezõ alakváltozását. Az alakkitöltési tényezõ egyenesen arányos a tangenciális erõvel, és fordítva a felületre vonatkoztatott keresztmetszeti tényezõvel. Nagy tangenciális erõk a súrlódásra kifejtett negatív hatásuk miatt nem

kívánatosak. Kisebb keresztmetszeti tényezõ (felületi tehetetlenségi nyomaték) érhetõ el a gyûrû falvastagságának a csökkentésével, sajnos megnövelve ezzel a törések számát. Jellemzõen minden motornál törekednek a tangenciális erõ, a futó(érintkezõ) felületek, az optimális keresztmetszet és a szerelési biztonság intelligens kombinációjának a kialakítására. terhelés Háromrészes 6. ábra: olajfogyasztás különbözõ terhelések esetén gyûrûk olajfogyasztási viszonyai A közvetlen befecskendezésû Ottomegvizsgálták a furatos és hasítékos motorokban extra kopások lépnek fel nyílásoknak a törési szilárdságra a rugóelemeken és az acélszalagos gyakorolt hatását. gyûrû belsõ felületén, melyet másodMegállapították, hogy a furatos kivitel lagos kopásnak neveznek. A 7. ábra egy háromrészes gyûrû extra a gyûrû futófelületein kisebb alakváltozással rendelkezik kopását mutatja be a rácsozaton.

autótechnika 2002/12 motortechnika Összefoglalás képességgel és lehetõleg kicsi tangenciális erõvel. Természetesen követelAz Otto-motoroknál a jövõben is mény az élettartam és a elõnyt élveznek a két- és háromréminimális törési kockázattal szes olajlehúzó gyûrûk. Növekszik a járó szerelési biztonság kis magasságú gyûrûk szerepe. növelése. Olyan rendszerek alkalmazása kerül Dízelmotorokba is öntvényelõtérbe, ahol csökkenthetõ a súrlóbõl vagy acélból készülõ dás nagysága, növekvõ alakkitöltõ tömlõrugós gyûrûket szerelnek be. A futófelületeket 8. ábra: a gyûrûmagasság hatása az olajlehúzásra, a dugattyúbillenés miatt krómréteggel vagy különleges kopáshasználás csökkentéséhez és a állóságú króm-kerámia könnyûépítésû dugattyúk fejlesztéséréteggel vonják be. A hez. dízelmotoroknál is csökkentik a gyûrûk Összeállította: dr. Pordán Mihály magasságát, a kedvezõbb

olajfogyasztás és Forrás: Dipl. Ing Johannes Esser, a károsanyag-kibocsátás Goetze cég szakemberének szakmai érdekében. cikkei, aki 1970-tõl folyamatosan közel A Federal-Mogul/Goetze 7. ábra: MF-gyûrû rugójának és acéllemezének 20 publikációt jelentetett meg e témával így járul hozzá az olajfelmásodlagos (belsõ felületek) kopása kapcsolatban. autótechnika 2002/12 25