Кольцо Wills Ring или Cooper Ring — это форма цельнометаллического уплотнительного кольца. Они используются для чрезвычайно тяжелых условий эксплуатации, например, для уплотнения прокладки головки поршневых двигателей высокой производительности .
Используются полые металлические уплотнительные кольца Wills Rings, поскольку они обладают лучшей упругостью, чем уплотнения из мягкого металла, и выдерживают более высокие температурные пределы, чем эластомерные уплотнительные кольца.
Кольцо Wills Ring представляет собой уплотнительное кольцо в форме полой металлической трубки. Они находятся под давлением газа изнутри [1] Преимущества этой конструкции в том, что кольца могут герметизировать в широком диапазоне условий. [2] Металлическая конструкция делает их устойчивыми к высоким или низким температурам и химическому воздействию. Более мягкие покрытия могут быть нанесены для обеспечения еще лучшей совместимости или для герметизации грубо обработанных поверхностей. [2] Внутреннее давление делает их податливыми как для требуемого диапазона движения, так и для их скорости реагирования, которая выше, чем у эластомерных уплотнительных колец. Их изгиб также не зависит от температуры. [примечание 1]
Кольца нагнетаются давлением либо статическим заполнением газом во время производства, либо могут приводиться в действие давлением, приложенным к соединению в процессе эксплуатации. Эти приводимые в действие давлением кольца имеют отверстия на стороне давления для обеспечения входа газа. Предел давления 4 МПа [примечание 2] для ненагруженного кольца превышается 40 МПа для кольца с внутренним давлением и 200 МПа или 1000 МПа для форм с внешним давлением. [3]
Кольца Wills Rings изготавливаются пяти основных типов: [2]
Формы с отверстиями и щелями обычно имеют отверстия, выходящие внутрь, для выдерживания внутреннего давления, но также доступны с внешними отверстиями для использования в условиях высокого внешнего давления, например, под водой. [примечание 3]
Они используются только для статического торцевого уплотнения, а не для подвижных сальников . Тонкие стенки трубок чувствительны к повреждениям от грубого обращения, точечных инструментов и обжима во время сборки. Форма, приводимая в действие давлением, считается немного более устойчивой к точечным повреждениям, но более подверженной риску складывания и обжима, поскольку они не поддерживаются внутренним давлением во время сборки.
Кольца устанавливаются в обработанные канавки, как правило, на одной из сопрягаемых поверхностей. [4] Правильная перпендикулярная глубина этих канавок (а не их ширина или площадь поперечного сечения) является важным фактором, контролирующим эффективность уплотнения. [5] В отличие от канавок для эластомерных уплотнительных колец, ширина и форма канавки не важны, важна только глубина. Эта «канавка» может даже стать открытой канавкой или отверстием, при условии сохранения этой свободной высоты. [5]
Кольца Wills изготавливаются из различных тугоплавких металлов, включая нержавеющую сталь и инконель . [5] Также доступны покрытия из ПТФЭ или серебряного покрытия различной толщины. [5]
Одной из самых известных областей применения колец Уиллса, или колец Купера, как их изначально называли, является герметизация камеры сгорания поршневых двигателей . [5] Они не получили широкого распространения из-за своей высокой стоимости и хороших характеристик других современных прокладок, но они нашли применение в высокопроизводительных двигателях.
Одним из первых применений в этом случае были гоночные двигатели Coventry Climax . [6] Более приземленные двигатели Coventry Climax не требовали этих уплотнений, но они были адаптированы для двигателей серийных автомобилей, таких как Hillman Imp , и когда они были перенастроены для гонок, было обычной практикой добавлять этот тип дополнительного уплотнения. [4] Некоторые конструкции Coventry Climax, такие как FWMV V8 , использовали блок с открытой декой с мокрыми гильзами . Они располагались на месте у основания гильзы, а не рядом с головкой цилиндра. Таким образом, они были подвержены проблемам из-за дифференциального теплового расширения , что приводило к утечке охлаждающей жидкости, когда блок и гильза расширялись с разной скоростью: в частности, когда гильзы сжимались быстрее при снижении нагрузки на двигатель. [7] Решением этой проблемы было перепроектировать гильзу таким образом, чтобы они располагались вверху, сокращая расстояние, подверженное расширению. Высокая податливость кольца Wills Ring, обусловленная его внутренним давлением, обеспечивала надежную герметизацию, даже несмотря на то, что короткое расстояние зажима теперь имело малую эластичность, и поэтому прилагаемое зажимное усилие от болтов головки могло существенно различаться.
Кольца Wills Rings дороги по сравнению с другими уплотнениями, такими как эластомерные кольца или прокладки головки блока цилиндров из металлической фольги. Типичное сравнение: одно кольцо [примечание 4] стоит примерно 50 долларов за штуку [8] , что примерно соответствует цене высокопроизводительной прокладки головки блока цилиндров для четырехцилиндрового двигателя.