Öteleme hareketinin söz konusu olduğu uygulamalarda dudaklı keçeler en geniş kullanım alanına sahiptirler. Dudaklı keçeler sistem basıncı olmadığı durumda radyal kuvveti dudakların deformasyonu sonucu oluşan gerilme sayesinde sağlarlar. Bu radyal kuvvet ile mil üzerine bastıran keçe sızdırmazlığı sağlamış olur. Bu tip keçelere örnek olarak U-ringler verilebilir. Bu tip keçelerde ilk montaj sırasında keçenin meydana getirdiği sürtünme kuvvetine sadece bu deformasyon sebep olduğu için düşük sürtünme kuvveti söz konusudur. Sistem içerisindeki basıncın artmasıyla birlikte keçe dudakları arasına uygulana basınç da artar. Bu sayede artan basınçla orantılı olarak dudaklı keçeler mil üzerine daha fazla basarlar. Belli bir basınç değerine erişildikten sonra keçe eksenel uzunluğunun tamamı boyunca mil üzerine basar. Şekil 2.8’de bu durum görülmektedir.
Şekil 2.8 : Basınç Altındaki Bir Dudaklı Keçe
Sistem basıncının en yüksek olduğu durumda sürtünme kuvveti de en yüksek seviyeye ulaşır. Tersi durumda ise sürtünme kuvveti en küçük değerini sistem basıncının en küçük olduğu durumda alır. Dudaklı keçeler U-ringlerin haricinde, piston başı keçeleri ve V-ring setlerini de içerirler. Bu çok parçalı keçelerde farklı sürtünme ve kuvvet durumları söz konusu olabilir [16].
2.2.1 U-Ringler (U-Cup)
U-ringler genellikle düşük ve orta derecedeki basınçlarda sızdırmazlığı sağlamak amacıyla kullanılırlar. O-ringlere göre dinamik uygulamalarda kullanılmaya daha uygundurlar. Kesit alanları küçük olan O-ringler ölçüsel değişimlere zor uyum sağlar. Bu nedenle O-ringlerin dinamik uygulamalarda kullanılmaları durumunda yuvalarının çok daha dar toleranslarda işlenmesi gerekir. Ancak U-ringlerde bu durum söz konusu değildir. O-ringlere nazaran daha zor şartlar altında bile geniş toleranslarla çalışıp, aşınmaya ve sızdırmaya karşı daha fazla direnç gösterirler. U-ringler farklı kesitlere sahip olabilirler. Tabanları düz ya da yuvarlak, dudakları uzun, kısa hatta çift dudaklı olabilirler. Dudaklar çalışma şekline göre içten ya da dıştan dudak şeklinde olabilir. Çalışma şartlarının ağırlaştığı durumlarda keçenin
çalışma boşluğuna akmasını önlemek için gerekli kenarına naylon ya da PTFE gibi malzemelerden imal edilmiş destek halkaları kullanılabilir.
Statik olan dudağa ve iç boşluğa yağ gelmesi için iç taraftaki dudak daha kısa tasarlanabilir. Statik taraftaki dudağın daha geniş olması ise keçenin yuva içerisinde dönmesini engelleyerek fayda sağlar. Bu tip U-ringlerde sıkılık daha fazladır. Dıştan takılanların montaj sırasında hasar görmemeleri için sertlikleri 75 Şor A’dan daha fazla olmamalıdır. İçten çalışanlar için sertlik 90 Şor A’ya kadar olabilir. Kauçuktan imal edilen U-ringler 100 Bar sistem basıncına, poliüretan malzemeden imal edilenler ise 400 Bar sistem basıncına kadar çalışabilirler. Şekil 2.9’da içten ve dıştan dudaklı U-ringlerin montajını gösteren bir resim görülmektedir [3].
Şekil 2.9 : İçten ve Dıştan Dudaklı U-Ring Montajı
U-ringlerin profil dizaynları zaman içerisinde değişim göstermiştir. Elastohidrodinamiğin çok fazla gelişmiş olmadığı zamanlarda, tasarımcılar içgüdüsel olarak davranmış ve basınç altında ince dudakların daha iyi sızdırmazlık sağlayacağını düşünmüşlerdir. Şekil 2.10’da görülen basınç profili aradaki kritik farkı göstermektedir. Yağın bulunduğu tarafta, eski tip ince dudaklı profilin sağladığı basınç gradyanı, modern tasarımın dik bir eğimle artan basınç gradyanına göre çok daha düşüktür. Havanın bulunduğu tarafta ise bu durumun tam tersi görülmektedir. Bu durumda, aynı koşullar altında çalışan iki keçeden eski dizayna sahip olan keçe dışarı çıkış stroğunda kalın bir yağ filmi oluştur ve bu film içeri giriş stroğunda keçe tarafından sıyrılarak yüksek kaçağa neden olur. Buna karşılık yeni dizayn keçelerde, dışarı çıkış stroğunda daha ince bir yağ filmi dışarı geçer ve bu yağ filminin çoğu içeri giriş stroğunda içeri pompalanır.
Şekil 2.10 : Eski ve Yeni Dizayn U-ringler Arasındaki Farklı Temas Basınç Profilleri Poliüretan malzemeden imal edilmiş U-ringlerin çalışma basınçları 100 Bar veya üzerinde ise durum değişir. Basınçtan dolayı elastomer keçede yanal genişleme oluşur ve keçe tüm iç yüzeyi mil üzerine temas eder. Bu sebeple daha yüksek basınçlarda yağ filminin içeri geri pompalanmasında ters etki yaşanır. Bunun nedeni ise çıkış noktasındaki maksimum basınç gradyanın (wE) çok yüksek olmasıdır. Şekil 2.11’de yüksek basınç altındaki bir U-ringin temas basınç profili verilmiştir.
Şekil 2.11 : Yüksek Basınç Altındaki Bir U-ring’in Temas Basınç Profili Bundan başka, dışarı çıkış stroğunda harekete başlanırken keçe, mil ile keçe temas yüzeyi arasında yağ filmi oluşmasına izin vermelidir. Eğer keçe yüzeyi, temas bölgesinin girişine dik bir açıyla geliyorsa ve temas basınç gradyanı yüksekse poliüretan malzeme mil yüzeyinden ayrılmaz ve temas eden yüzeyler arasına
yağlayıcının girmesine müsaade etmez. Bu durum yağ filminde bozulmalara neden olur ama aslında filmin oluşumu ilk andan itibaren gerçekleşmemektedir. Bu durum sonucunda tutma–kayma (stick-slip) ismi verilen durum oluşur ve ses yapan titreşimler meydana gelebilir. Ancak Şekil 2.12’de gösterilmiş olduğu gibi, yağlayıcının keçe temas yüzeyine girip hidrodinamik yağlayıcı filmi oluşturması için keçe temas yüzeyi başlangıcına kama etkisi yapacak pah kırma şeklinde açılı bir profil şekli uygulanabilir. Bu sayede temas yüzeyine gerekli yağ basıncı çabuk bir şekilde ulaşmış olur [4].
Şekil 2.12 : Kama Etkisi Yapan Profilin Şekli
U-ringlerin kayarak çalıştıkları uygulamalarda yüzey kalitesi önem kazanır. Yüzey kalitesini elde etmek için silindirlere honlanarak, pistonlar ise cilalanarak kullanılabilirler. Yüzey kalitesi ve ölçüsel hassasiyet ilişkisi önemlidir ve yüzey kalitesi arttıkça ölçüsel toleransların sağlanması kolaylaşır. Tablo 2.1’de U-ring kullanımında istenen yüzey kalitesi ve ölçüsel toleranslar gösterilmiştir. Şekil 2.13’de U-ringlere ait uygulama örneği görülmektedir.
Tablo 2.1 : U-ring Kullanımında İstenen Yüzey Kalitesi ve Ölçüsel Toleranslar
Çalışma ekli Rt(µm) Ra(µm) Tolerans
Statik Yüzeyler 6,3 1,6 h11 yada H11
Piston 1,6 0,4 e9
Hidrolik Silindir 1,6 0,4 H11
Dinamik Yüzeyler
2.2.2 V-ringler ve Takım Halkaları
Chevron keçeleri olarak da bilinen V-ringler, U-ringlere nazaran daha güçlü bir kesite sahip oldukları için eksenel ve radyal yüklere karşı daha fazla direnç gösterebilirler. Basınç kapasiteleri ve düşük basınç yetenekleri iki yada daha fazla ring takım halinde, erkek ve dişi adaptör kullanılarak arttırılabilir. Şekil 2.14’de bu uygulamalara örnek verilmiştir.
Şekil 2.14 : (a) V-ring Takım Halkaları (b) Delikli Baş Halkası Olan Takım Halkası Bu durum V-ringlerin tek başlarına kullanılmasına oranla daha sık yapılan bir uygulamadır. Baş kısmı oluşturan baş halkası delikli veya dolu olarak kullanılabilir. Bazı durumlarda ise aşınma kompanzasyonu sağlamak amacıyla yaylı baş halkaları da kullanılmaktadır. Şekil 2.15’de bir V-ring takım halkası profili ve meydana geldiği halka tipleri görülmektedir [5].
Şekil 2.15 : V-ring Takım Halkaları (a) Bez Halkası (b) Orta Halkalar (c) Baş Halkası (d) Klasik Baş Halkası (d) Yaylı Baş Halkası
V-ringlerin sağladığı sızdırmazlık basınçla orantılıdır. Artan basınçla birlikte V-ring genişler, sıkılık miktarı artar. Tersi durumda ise basınç azaldıkça kendisini bırakır bu sebeple de sürtünme azalır. V-ringlerin takım halinde kullanılmalarının diğer bir faydası da tek halde kullanılmaları sırasında meydana gelen ani kaçakların, takım halinde kullanılma durumda gerçekleşmemesidir.
Sürtünme kuvvetine birçok farklı etmen etki eder. Bunlar metal yüzeyin özellikleri, sıcaklık, yağ ve yağlama özelliği, keçe malzemesinin yapışma özelliği ve temas yüzeyinin yapışma değeri olarak sayılabilir. Örneğin sert malzemelerde sürtünme kuvveti daha yüksek olur. Dudakların yağlanması durumunda ise aşınma ve ısınma miktarında azalma görülür. Yağ filminin sürekliliğinin sağlanması da aşınmayı önleyici bir etmendir. Metal yüzeylerinin parlatılmış olması önemlidir.
Aşınmayı arttırıcı en önemli etmen ise aşırı basınçtır. Tek bir V-ring yerine birden fazla halkadan oluşan takımlar kullanmak basınç dağılımını sağlarken aşınmayı da azaltır. Tablo 2.2 farklı malzemelerden imal edilmiş V-ringler için, farklı basınç değerleri söz konusu olduğunda kullanılması önerilen halka sayılarını göstermektedir [3]. Yüksek basıncın doğurduğu bir diğer tehlike ise malzemenin çalışma boşluğuna akmasıdır ki bu durumda takım halkaları önüne destek halkaları kullanmak gerekebilir.
Tablo 2.2 : V-ring Sayısının Malzeme ve Basınca Göre Belirlenme Tablosu
V-Ring Sayısı
Homojen Kauçuk
Bezli
Kauçuk Deri PTFE
3 35 Bar 35 Bar 35 Bar 35 Bar
4 100 Bar 200 Bar 150 Bar 70 Bar
5 200 Bar 350 Bar 400 Bar 200 Bar
6 350 Bar 700 Bar 1400 Bar 350 Bar
2.2.3 Piston Başı Keçeleri
Öteleme hareketi için kullanılması uygun olan daha önce de bahsetmiş olduğumuz keçe tiplerinin tamamı piston sızdırmazlığını sağlamak için kullanılabilir. Ancak sadece piston başlarında kullanılmak üzere tasarlanmış keçeler de mevcuttur. İlk başlarda piston başı keçeleri hidrolik endüstrisinde kullanılmak üzere deriden yapılmaktaydı. Deri kullanılmasındaki önemli sebep yüzey kalitesinin düşük olduğu durumlarda da sızdırmazlık sağlayabilmesiydi. Zaman içerisinde daha yüksek kuvvet ve sertlik elde edebilmek amacıyla katmanlar halinde bezler kullanılmaya başlandı. Piston başı keçeleri diğer bezli sızdırmazlık elemanlarına oranla daha ucuzdur. Geniş tolerans aralıklarında çalışmaya uygun olan bu keçeler özellikle yatay halde çalışan sistemlerde kullanılmaya uygundur.
Piston başı keçeleri basınç altında görevlerini yerine getiriler. Diğer keçelere oranla ince dudaklara sahip olan piston başı keçeleri sahip oldukları esneklik sayesinde düşük basınçlarda bile temas yüzeylerine kuvvetlice temas ederek sızdırmazlığı sağlarlar. Yapıları itibariyle tek yönlü sızdırmazlık sağlayan bu keçeler iki tanesinin sırt sırta monte edilmesiyle iki yönlü sızdırmazlık sağlamak amacıyla da kullanılabilirler. Bu durumda performans montaj sırasındaki titizliğe bağlıdır. Şekil 2.16’da piston başı keçelerinin iki ana tipinin kesiti görülmektedir.
Şekil 2.16 : Piston Başı Keçeleri (a) Yuvarlak Tabanlı (b) Dik Kenar Tabanlı Her iki tip benzer uygulamalarda benzer performans vermelerine karşı yuvarlak tabanlı piston başı keçeleri daha sıkça görülür. Dik kenar tabanlı piston başı keçesini temel avantajı düz imal edilmiş bir destek plakasıyla kullanılabilmesidir ve düz plakanın imalatı daha kolaydır. Bu tip bir uygulamanın montajı Şekil 2.17’de verilmiştir.
Şekil 2.17 : Dik Kenar Tabanlı Piston Keçesinin Montajı
Piston başı keçelerine ait diğer uygulama şekillerinde bazı örnekler Şekil 2.18’de gösterilmektedir. A ve B örneklerinde düşük ile orta derecede basıncın söz konusu olduğu hafif uygulamalarda piston başı keçelerinin uygulanma şekli verilmiştir. A yuvarlak tabanlı piston keçesinin, B ise dik kenar tabanlı piston başı keçesinin örneğidir. C örneğinde görülen uygulama hafif şartlarda kullanılabilecek bir diğer
montaj şeklidir. D ve E şekillerinde görülen uygulamalar ise ağır şartlar altında kullanılası tavsiye edilen montaj şekilleridir [2].
Şekil 2.18 : Piston Başı Keçeleri (A) Yuvarlak Tabanlı (B) Dik Tabanlı (C) Hafif ŞartlaraUygun (D) Ağır Şartlara Uygun (E) Ağır Şartlara Uygun