Klämning: hur mycket, och varför både för lite och för mycket är fel Klämning (squeeze) är hela skälet till att en O-ring tätar. Ringen försöker återta sin ocomprimerade form, och den kraften är tätningstrycket. Allt annat i spårkonstruktionen finns för att ställa in den kraften rätt.

Enligt Parkers O-Ring Handbook ORD 5700, avsnitt 3.6, är rekommenderat maximum för en statisk tätning 30 procent för de flesta elastomerer. Handboken varnar för att klämma väsentligt mer än så, eftersom den extra spänningen bidrar till tidig nedbrytning av tätningen. Något högre klämning kan användas om tätningen varken utsätts för hög temperatur eller för vätskor som angriper elastomeren och får den att svälla. För dynamiska tätningar gäller helt andra tal: ungefär 16 procent som maximum av hänsyn till friktion och slitage, där små tvärsnitt kan klämmas upp till 25 procent.

Notera att handbokens egen konstruktionstabell och dess löptext inte ligger helt i linje. Design Chart 4-1 anger 22 till 32 procent klämning för det minsta tvärsnittet (1/16 tum), alltså en övre gräns strax ovanför de 30 procent avsnitt 3.6 anger som rekommenderat maximum. Handboken kommenterar inte skillnaden. Formuleringen i 3.6 är "much more than 30%", vilket gör att 32 procent rimligen ryms, men den som konstruerar mot tabellens övre kant bör veta att den ligger på gränsen till handbokens egen varning.

Undre gränsen är minst lika viktig och glöms oftare. Handboken anger en minsta klämning på cirka 0,2 mm (0,007 tum) för alla tätningar oavsett tvärsnitt. Skälet är skarpt: vid mycket lätt klämning tar nästan alla elastomerer snabbt 100 procents tryckdeformation (compression set). Under 0,1 mm (0,005 tum) klämning går det inte ens att skilja en bra compression set-beständig blandning från en dålig, vilket handboken visar med tre nitrilblandningar i Figure 3-5. Ett spår som ger för lite klämning gör alltså materialvalet meningslöst.

Nollklämning är ett undantag, inte ett alternativ. Handboken nämner två fall där det är avsiktligt: lågtrycksventiler för luft, där den flytande pneumatiska kolvringskonstruktionen används, och vissa roterande O-ringstätningar.

Spårdimensioner för industriella statiska O-ringstätningar Tabellen nedan är Design Chart 4-1 ur Parkers ORD 5700, för industriella statiska O-ringstätningar upp till 103,5 bar (1500 PSI). Talen är Parkers rekommendationer, inte en standard. De sammanfaller ofta med men är inte identiska med ISO 3601-2, och utgåvan är från 2003. Metervärdena är omräknade från handbokens tumvärden.

| Tvärsnitt W nominellt | W verkligt, tum (mm) | Spårdjup L, tum (mm) | Klämning, tum (mm) | Klämning % | Diametralt spel E, tum (mm) | Spårbredd G utan stödring, tum (mm) | |---|---|---|---|---|---|---| | 1/16 | .070 ±.003 (1,78) | .050–.052 (1,27–1,32) | .015–.023 (0,38–0,58) | 22–32 | .002–.005 (0,05–0,13) | .093–.098 (2,36–2,49) | | 3/32 | .103 ±.003 (2,62) | .081–.083 (2,06–2,11) | .017–.025 (0,43–0,64) | 17–24 | .002–.005 (0,05–0,13) | .140–.145 (3,56–3,68) | | 1/8 | .139 ±.004 (3,53) | .111–.113 (2,82–2,87) | .022–.032 (0,56–0,81) | 16–23 | .003–.006 (0,08–0,15) | .187–.192 (4,75–4,88) | | 3/16 | .210 ±.005 (5,33) | .170–.173 (4,32–4,39) | .032–.045 (0,81–1,14) | 15–21 | .003–.006 (0,08–0,15) | .281–.286 (7,14–7,26) | | 1/4 | .275 ±.006 (6,99) | .226–.229 (5,74–5,82) | .040–.055 (1,02–1,40) | 15–20 | .004–.007 (0,10–0,18) | .375–.380 (9,53–9,65) |

Spårbredden ökar när stödringar (Parbak) ska rymmas. Med en stödring gäller .138–.143, .171–.176, .208–.213, .311–.316 respektive .408–.413 tum för de fem tvärsnitten. Med två stödringar gäller .205–.210, .238–.243, .275–.280, .410–.415 respektive .538–.543 tum. Spårets hörnradie R är .005–.015 tum för de två minsta tvärsnitten, .010–.025 för 1/8, och .020–.035 för 3/16 och 1/4. Största tillåtna excentricitet, mätt som totalt mätklockutslag mellan spåret och intilliggande lageryta, är .002 tum för de två minsta, .003 för 1/8, .004 för 3/16 och .005 för 1/4.

Två mönster i tabellen är värda att läsa av. Klämningen i procent SJUNKER med ökande tvärsnitt, från 22–32 procent ned till 15–20. Det diametrala spelet ÖKAR med ökande tvärsnitt, från .002–.005 upp till .004–.007 tum. En grov ring tål alltså mer spel men ska klämmas relativt mindre.

Tabellvärdena är kontrollerade mot handbokens egen text med två oberoende textextraktorer, som gav identisk kolumnindelning.

Fyllnadsgrad i spåret: varför ett spår aldrig får fyllas helt Andelen av spårets volym som O-ringens tvärsnitt upptar kallas fyllnadsgrad (gland fill). Enligt ORD 5700 avsnitt 3.7 kräver de flesta O-ringstillämpningar en fyllnadsgrad mellan 60 och 85 procent, med 75 procent som optimum, alltså 25 procents tomrum. Handboken skriver ut att det är nödvändigt att lämna minst 10 procents tomrum i varje elastomertätande spår.

Skälet till att intervallet är så brett är att tre osäkerheter ska rymmas i det: toleransstapling, volymsvällning av O-ringen i mediet, och termisk expansion av tätningen. Ett spår som är korrekt fyllt vid rumstemperatur i luft kan vara överfyllt när ringen svällt i sitt driftmedium och värmts till drifttemperatur. Ett överfyllt spår har ingenstans att ta vägen: gummit är i praktiken inkompressibelt, så det trycker isär tätningsytorna eller pressas ut i spelet.

Detta är den vanligaste orsaken till att en tätning som räknats rätt på ritningen ändå inte fungerar i drift, och det är också skälet till att fyllnadsgraden måste räknas på den svällda ringen och inte på nominella mått.

Extrusion: spelet avgör, inte trycket ensamt Enligt ORD 5700 avsnitt 4.6 är extrusion den absolut vanligaste feltypen på statiska O-ringstätningar. Ringen pressas av trycket ut i det diametrala spelet mellan de tätande delarna och nyps av, vilket handboken kallar nibbling.

Vad som avgör om det händer är inte trycket ensamt utan kombinationen av tre storheter: systemtrycket, det totala diametrala spelet och materialets hårdhet i Shore A. Handbokens Figure 3-2 ställer upp dem mot varandra med tre kurvor för 70, 80 och 90 Shore A, över tryckområdet 6,9 till 690 bar (100 till 10 000 PSI) och spelområdet 0 till 1,0 mm (0 till 0,040 tum). Riktningen är entydig: hårdare gummi tål större spel vid samma tryck, och vid ökande spel faller det tillåtna trycket snabbt för alla tre hårdheterna.

Diagrammets villkor är minst lika viktiga som kurvorna, och de står utskrivna under det. Kurvorna gäller 100 000 tryckcykler i takten 60 per minut från noll till angivet tryck, vid en maximal provtemperatur av 71 °C (160 °F), utan stödringar. Det angivna spelet måste inkludera cylinderns expansion under tryck, inte bara det kalla monteringsspelet. Handboken uppmanar dessutom uttryckligen till en rimlig säkerhetsfaktor i praktisk tillämpning, för att täcka alltför skarpa kanter, andra ofullkomligheter och högre temperaturer än provtemperaturen.

För silikon och fluorsilikon ska spelet reduceras, men handboken anger två olika tal för samma regel och löser inte konflikten själv. Fotnoten till Figure 3-2 säger 60 procent för silikon och fluorsilikon. Not (c) till Design Chart 4-1 säger 50 procent för silikon och fluorsilikon, och löptexten i avsnitt 4.2 säger också 50 procent, där dock bara silikon nämns. Två av tre uppgifter säger alltså 50 procent. En trolig läsning är att 60 procent gäller när man läser av Figure 3-2:s egna kurvor, medan 50 procent gäller de tabellerade spelvärdena i konstruktionstabellerna, men handboken skriver aldrig ut den distinktionen. Den som konstruerar med silikon bör välja den mer konservativa reduktionen, alltså 60 procent, tills en aktuell utgåva eller Parkers tekniska support klargjort vilket tal som gäller.

Stödringar: när de behövs och när de inte gör det Enligt ORD 5700 avsnitt 4.2 bör behovet av stödringar utredas vid tryck över 103,5 bar (1500 PSI), och det gäller alla tätningstyper. Men trycket är inte det som avgör, utan spelet: finns inget extrusionsgap behövs inga stödringar. Handboken går längre än så och skriver att mycket höga tryck kan tätas utan stödringar om metallisk kontakt mellan spårets delar kan upprätthållas, alltså praktiskt taget noll spel. Den rapporterar fall där 13 800 bar (200 100 PSI) tätats med en O-ring i 70 Shore A utan stödringar. Talet ska läsas som vad det är, ett rapporterat ytterfall som visar principen, inte som en konstruktionsanvisning.

Omvänt kan stödringar behövas långt under 103,5 bar. Vibration eller tryckpulsering ger det handboken kallar breathing, en andning i spalten, och det kan kräva stödringar vid medeltryck under 1500 PSI. Konstruktionsfrågan är alltså inte "hur högt är trycket" utan "hur stort blir spelet när det är som värst, och pulserar det".

Stödringar är tunna ringar av betydligt hårdare material som placeras i spåret mellan tätningen och spelet, och som i praktiken ger noll spel. De finns i hårda elastomerblandningar, läder, PTFE, nylon och liknande material. Att lägga till dem kräver ett bredare spår, se måtten för en respektive två stödringar i spårdimensionstabellen.

En konstruktionsknep som handboken lyfter fram: använd systemtrycket till att stänga spalten. Figure 4-1 och 4-2 visar ändlock och pluggtätning där extra väggstöd på pluggtätningen minskar breathing, och där yttre gängor skyddar O-ringen från skador vid montering.

Sträckning vid montering Handboken rekommenderar högst 5 procents monterad sträckning på O-ringens innerdiameter. Sträckning drar ned tvärsnittet och därmed den verkliga klämningen, och den ger dessutom en spänning i materialet som påskyndar åldring.

Vid mer än två till tre procents sträckning ska det verkliga tvärsnittet W räknas om enligt handbokens Figure 3-3, och den önskade klämningen i procent ska sedan tillämpas på det omräknade tvärsnittet. Att räkna klämning på nominellt tvärsnitt för en sträckt ring ger alltså för hög klämning på papperet och för låg i verkligheten.

Handboken är öppen med att dess egen tabell inte alltid håller den gränsen: för de minsta storlekarna ligger den monterade sträckningen i Design Table 4-1 klart över de rekommenderade 5 procenten. Motivet den anger är att 4-1-måtten tillåter standarddiametrar på stänger och standardborrverktyg, vilket ger verkliga produktionsbesparingar, och att livslängdsskillnaden mot flygspecifikationens mått bedöms som obetydlig. Den som konstruerar för lång livslängd i små storlekar bör väga in att detta är ett medvetet avsteg och inte en förbiseende.

I stora hanliga spår kan det omvända problemet uppstå: sträckningen blir så liten att ringen hänger ur spåret före montering. Handboken föreslår då en storlek mindre ring, vilket dock kräver minskat spårdjup för att behålla rätt klämning.

Ytfinhet: talet är inte hela historien Konstruktionstabellerna anger en ytjämnhet som inte får överskrida 32 mikrotum RMS på tätande ytor för statiska tätningar, med 16 RMS rekommenderat för ansiktstätningar mot gas. Handboken kallar dem själv goda allmänna riktvärden och skriver rakt ut att de inte berättar hela historien.

Det avgörande är riktningen på bearbetningsspåren i förhållande till tätningen. Ytor svarvade i en operation som ger repor och åsar som FÖLJER spårets riktning tätar effektivt även vid mycket hög ytråhet. Metoder som pinnfräsning eller kopierfräsning ger däremot repor som skär TVÄRS över O-ringen, och där gäller det motsatta: de rekommenderade ytvärdena får inte överskridas.

Det finns en nyans till, som förklarar varför två ytor med samma mätvärde kan bete sig olika. Även en tvärgående repa kan tätas om profilen visar rundade dalar som gummit lätt flyter ned i. Problemet är att verktygsspår oftast har skarpa, djupa och vinkliga dalar som gummit inte penetrerar eller fyller. Ett ytvärde utan uppgift om bearbetningsmetod och spårriktning är därför inte tillräckligt underlag för att bedöma en tätningsyta.

Radiell tätning eller ansiktstätning För statiska tätningar där spåret skärs i en plan yta gäller i stället Design Chart 4-2, och Parker anger att 4-2 är att föredra framför 4-1 för statiska ansiktstätningar. Skälet är att 4-2 föreskriver kraftigare klämning för alla tvärsnitt utom det minsta (.070 tum), vilket förbättrar tillförlitligheten vid låg temperatur.

Parker rekommenderar normalt 4-1-konstruktionen framför flygstandarden AS4716 (Design Chart 5-1) för radiell klämning. Motivet är principiellt: flygspecifikationen kräver samma klämning oavsett om ringen används statiskt eller dynamiskt, medan Parker anser det bättre att lägga på kraftigare klämning i en statisk tillämpning eftersom det ökar tillförlitligheten vid låg temperatur. Den kraftigare klämningen ska däremot inte användas i en dynamisk tätning, där den orsakar för mycket friktion och slitage.

Vad det här materialet är, och vad det inte är Den är auktoritativ för sitt syfte och innehåller konstruktionsdata som sällan finns publicerade någon annanstans, men tre begränsningar följer med den.

För det första är spårmåtten Parkers rekommendationer för Parkers ringar, inte en standards krav. De sammanfaller ofta med ISO 3601-2 och AS568B men är inte identiska med dem, och där en aktuell standard gäller för leveransen är det standardens mått som styr.

För det andra är utgåvan från 2003. ISO 3601 har reviderats efter det, och de nyare texterna har inte kontrollerats mot innehållet här.

För det tredje handlar handboken om O-RINGAR. Reglerna om klämning, fyllnadsgrad och spel går inte att överföra rakt av till formpackningar, profilpackningar eller radialtätningsringar, som har annan geometri och andra tätningsmekanismer.