04活塞环的设计

20内燃机的性能与活塞环的设计息息相关。目前世界上活塞环设计已进入标准化系列化时代。活塞环的设计原则依据活塞环的作用和工作条件，活塞环的设计应满足如下要求：有适当的弹力，以利初始密封；有较高的机械强度和热稳定性好；易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶力气；加工工艺简洁，本钱低廉。活塞环设计承受弹性弯曲理论，综合考虑环装入活塞的张开应力和环在气缸中的工作应力。依据这些应力的最正确比例和环材料的强度和弹性模量，实际环的自由状态开口距离为2.5～3.5/22～34经长期设计阅历之积存和广泛的发动机运转测试，得出了压缩环、油环和环槽设计参数3-1～3-4环直径

表3-1 气环侧隙间隙顶环

其次和第三道环76~178mm0.064/0.114mm0.038/0.089mm＞178~250mm0.076/0.127mm0.064/0.114mm＞250~405mm0.102/0.152mm0.076/0.127mm＞405~600mm0.152/0.216mm0.127/0.191mm＞600mm0.152/0.229mm0.127/0.203mm环直径3-2油环侧隙间隙76~178mm0.038/0.089mm＞178~250mm0.064/0.114mm＞250~405mm0.076/0.127mm＞405~600mm0.127/0.191mm＞600mm0.127/0.203mm发动机型式水冷风冷及两冲程活塞环直径≤178mm

表3-3 闭口间隙表3-4 侧面光滑度

单位缸径的闭口间隙0.003/0.0040.004/0.005侧面光滑度CLA最大0.4μm最大0.8μm1.6μm活塞环的设计要素活塞环的设计要素可以从材料、断面外形、外表处理等三个方面来进展分析、参数选择、方案比照。活塞环的断面外形活塞环断面外形的设计是活塞环构造设计的重要组成局部。活塞环的断面外形应能满足密封性好、快速磨合、刮油力气强的要求。断面外形设计从传统的简洁确定经纬尺寸，进展到依据不同位置、不同环别以及该环所期望侧重的功能等综合选择断面外形。气环常用的主要断面外形有矩形、梯形、锥面形、扭曲形和桶面形等〔详见1.2〕油环常用的主要断面外形有外阶梯形、鼻形、内撑弹簧形等。现就内撑弹簧组合油环体断面有关构造参数作一简述。径向厚度〔环体径向厚度〕由于环体径向厚度不受弹力的约束，为了减小环的安装和工作应力，并提高环的顺应性，3～5mm刮油边高度定义油环外圆面与缸壁接触的轴向高度4mm刮油0.5±0.1mm；环高＞4mm0.6±0.1mm集油槽深度和槽底壁厚为保证环体本身有足够强度，又有足够的存油，并满足回油畅通的要求对集油槽深度和槽底壁厚有确定的设计范围，依据环磨损到达最大允许值时，开口间隙允许增大2～2.5mm,则半径方向的磨损量为0.30～0.40。据有关资料介绍，环磨损到达极限值时，油槽半径方向0.20mm0.7～0.8mm0.9mm1.5～2mm回油孔高度和长度孔数回油孔高度理论上要求在满足环的机械强度的根底上，有足够的机油通道即可，但还必需0.8、1.0、1.2、1.5。孔数按GB/T1149.7—94规定选用或产品图纸要求。5内槽圆弧半径内槽圆弧半径一般比内撑体外径大0.1～0.15mm，圆弧外形为Ｕ形。活塞环的切口外形活塞环的切口外形主要有三种：直切口、斜切口和搭叠式切口〔见图3-时应使各种切口相互错开以削减漏气量。3-1切口外形〔a〕〔b〕和〔c〕〔d〕搭叠式切口1直切口加工简洁，得到广泛应用。2斜切口与直切口相比，其实际间隙比较小，这样气体泄漏通道也相应变小了。切口斜角一般在30º～60º45º居多，也得到广泛应用。3搭叠式切口密封效果好，气体通过曲折的通道能够把泄漏减至最低限度。但环加工困难，安装环时由于切口张开度大，故安装应力大，易于折断。一般用于低速大型柴油机。活塞环的外表处理活塞环的外表处理在现代活塞环技术中占有很大的比重，回忆活塞环的外表处理技术的进展过程，实际上是一个从易到难，从简洁到简洁，从单一性能到综合性能的演化过程。活塞环外表复层的方法很多，可归纳为二大类：以改善环的初期磨合性能，提高耐蚀性为目的的，称磨合型，如四氧化三铁〔F34磷酸盐、锡等；以延长活塞环寿命为目的的，称耐磨型，主要是铬、钼等。对于高负荷、高速发动机主要是其次类。活塞环外表处理种类很多，常用的有：1磷化处理磷化是指在活塞环外表通过磷酸盐处理，生成多孔性的磷酸锰〔或锌〕和磷酸铁的松软薄膜。具有耐腐蚀和提高初期磨合性能。薄膜厚度视需要可为0.004～0.03mm。硫化处理硫化是指用渗硫的方法在活塞外表生成一层硫化铁和氮化铁，具有防止熔敷磨损和提高初期磨合性能，一般用在直径较大的活塞环上。喷钼由于镀铬环的耐熔着性能不能满足发动机日益强化的需要，一种的复层——喷钼，进展起来。喷钼是利用喷鎗将纯金属钼丝熔化后喷成极细的钼粒，喷涂在予先开有凹槽的活塞环工作外表上。其特点有：〔1〕耐熔着性能喷钼环始终具有良好的耐熔着性能，例如车辆行驶20万公里，喷钼环仍毫无故障，而镀铬环已消灭严峻的熔着现象。耐磨料磨损性能喷钼层特别具有多孔性，能获得良好的润滑条件，喷钼层中的质点硬度较高。但喷钼环和镀铬环的耐磨损性能，孰优孰劣？要看特定的使用和试验条件、工艺条件等。一般有这样一种倾向，即在以磨料磨损为主要磨损的状况下，以承受镀铬环为佳，在可能产生熔着的状况下承受喷钼环为宜。但是，在强化发动机中实际发生的磨损中一般以熔着磨损最大，而熔着磨损产生的碎屑又会引起磨料磨损，就这种磨料磨损而言，喷钼环仍优于镀铬环。耐腐蚀性能喷钼环有足够的耐蚀性，比镀铬环略好一些。磨合性与密封性由于钼环的多孔构造〔可贮油和脆性时，其贮油特性有利于密封。0.10～0.20mm，最小可用0.05mm0.15～0.30mm。氧化处理氧化处理是指在活塞外表不完全氧化，生成四氧化三铁薄膜，具有耐腐蚀、抗咬合和提高初期磨合性能。镀锡处理镀锡主要是改善初期磨合性能，缩短磨合时间，最近还有对镀铬环外表再镀锡的做法。既可改善初期磨合性，又耐磨提高环的使用寿命。氮化处理氮化是指在活塞环的外表渗氮，生成氮化铁硬化层，具有较好的耐腐蚀性和耐磨性。7镀铬处理随着发动机不断强化，对活塞环耐磨性要求提高，镀铬环的使用也随之增多，镀铬技术也不断创，如刷镀技术、旋转镀铬技术、长筒镀铬技术、凹凸液槽位镀铬循环和周期换向电镀技术等得以进展。镀铬环对提高活塞环耐磨性是一项很有效的措施，其缘由一般认为是：镀铬层硬度比铸铁高，达HV850～950，能抵抗磨料磨损；熔点比铸铁高，前者为1770℃，后者为1230℃，因此，与铸铁相比，有利于抵抗熔着磨损；有极好的的耐蚀性；良好的镀铬外表能储存小量的滑油，例如外表造成沟纹或多孔组织。〔但不能与镀铬缸套相配，镀铬层厚度，随用途而异。在加工方面，有资料说明：镀铬环要经过研磨或珩磨，否则将导致很严峻的后果；使用镀铬环时气缸的光滑度很重要，为有良好的磨合，缸套宜粗糙些，如20～40微吋〔均方根值。8喷涂耐磨材料喷涂耐磨材料是活塞环外表处理的技术，其中等离子喷涂更处于进展阶段，喷涂层具有多孔性和比铬更高的熔点，具有更好的抗咬合性能。耐磨材料有钼、陶瓷材料、金属碳化物等。其中尤以喷钼承受较多，还消灭镀铬外表再喷钼的方法，显示出喷涂耐磨材料进展的前景宽阔。活塞环外表处理技术的长足进步和广泛应用势将连续下去，如活塞环外表多元素的复合镀，有机高分子材料的复合涂层技术等正在试验进展中。d1/a1d1/a1/d1d1mm〕图3-2 活塞环d1/a1变化曲线1—汽车拖拉机发动机2—强化发动机图3-3d1/a1的推举值径向厚度指环内、外圆之间的径向距离。一般由缸径和活塞环槽底深度而定，此参数的大小直接影响活塞环的弹力、应力以及内燃机的性能。总的说径向厚度1小，散热比较困难，明显对高速发动机是不利的。近来，随发动机的高速化，环的径向厚度趋向于加大，对改善活塞传热，提高环的弹力、刚度是有利的，但假设径向厚度过大，工作和安装时应力大，易折断，同时对气缸横向变形的适应性较差。因此规定缸径d1

与径向厚度α1的比值应在确定的范围内，一般d/α=22～28〔3-2、3-3〕汽油机环宜取小，柴油机环1 1宜取大。环高h1环高是环两端面沿其轴线方向的最大公称尺寸。活塞环的高度不宜过高，由于：能较好地适应气缸的不均匀磨损和变形，可以避开棱缘集中负荷，从而提高环的抗粘着力气〔3-4〕；使活塞组往复质量和构造尺寸削减，活塞环槽磨损削减；使环背和环槽间的空间变小，环背压力简洁建立起来，提高了二次密封效能；5磨合快。5磨合快。事物都是一分为二。环高过小，将使活塞工作稳定性变差，从而可能引起活塞环与气缸壁之间外表接触应力集中，破坏缸壁油膜导致拉缸的可能。还可能导致磨料磨损增加〔3-5〕易于折断、散热力气差等。这些都是要在设计时加以权衡的。但是，对于高速发动机而言，削减环高是活塞环进展的总趋势，存在问题可以从材料及外表处理，构造设计等方面努力抑制的。对于小功率柴油机，

图3-4 环高与抗粘着力气关系一般气环环高hhh=1.5mm1

=2～4mm，近来还出图3-5 环高与开口间隙关系活塞环组合活塞环的组合，在强化发动机中特别重要，一般要求是：第一环要加倍强化，由于它工作条件最差，对窜气、窜油均有重大影响。第一环要求避开发生逆倒角的状况。中间环的状况在二冲程和四冲程柴油机中是不同的。二冲程柴油机的其次环，甚至全部压缩环与第一环都是相像的。这是由于二冲程的活塞环经过气口时，工作条件不利。四冲程柴油机的其次环的工作条件不很厉害，尺寸多较第一环薄一些。在高速发动机上主要还是防窜油的作用，端面要求贴合承压，为此，多要求扭曲环，对高增压高平均有效压力的发动机上，其次环有承受高强度材料的趋向。在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环构造是有必要的。在目前强化发动机中不管油环、或压缩环，均要起密封和刮油双重作用，所以在组合时要考虑它们之间的协作。3.4.1.活塞环数目不同构造和功能的活塞环通过适当的结合，安装在活塞各环槽内，以适应不同的用途。活塞环数目实际上是依据发动机的型式，缸径大小和转速凹凸等不同状况来确定。就内燃机而言，汽车发动机以三环组构造为主，农用柴油机以三环或四环构造为主，摩托车二冲程发动机以两环构造，四冲程为三环构造，中速发动机一般承受四道环。从进展而言，以三环构造为主要方向，也就是流行构造“一桶二锥三内撑2.4.2.环的安排四冲程发动机，有压缩环〔气环〕和油环。绝大多数都放在活塞销座以上的位置，压缩环在上，油环在下。有时为了加强刮油效果，也常把一个油环放在活塞销座以下的裙部上。二冲程发动机，小型曲轴箱扫气的发动机不设油环，仅有气环。由于这种发动机利用曲轴箱扫气，曲轴箱内不能储存机油，否则会把机油带进燃烧室内。它的润滑方式是在燃料中参与确定比例的机油，含有机油油雾的可燃混合气进入燃烧室后，机油就进到各摩擦外表。中高速柴油机，活塞销以上没有油环，而是设在下裙部，低速大型柴油机则不用油环，机油用特地的油管输至各摩擦外表。环肩厚度和气缸间的间隙环肩〔岸〕厚度：在铝合金活塞中大都和环的高度相等；1～1.2mm3～5mm。劳强度，环肩槽根部的圆角半径R劳强度，环肩槽根部的圆角半径R不应小于20.4～0.5mm。活塞环槽隔壁的外圆边沿圆角R=0.2～0.3mm。活塞环背上必需制出倒角1(0.2～0.4)m×45º〔图3-，以保证和环槽的正确协作。活塞裙部和气缸之间有确定的间隙，使活塞裙部在活塞膨胀后正好与缸壁接触，而又不发生抱缸。设计时通常与裙部侧面外表外形设计一起考虑，把裙部作成圆柱形，圆锥 图3-6 活塞环肩处的圆角形等不同外形和尺寸。环槽和环槽护圈环槽3-7环和环槽的反面间隙计算气环有效背隙=0.003d+0.25〔mm〕1油环有效背隙=0.003d+0.75〔mm〕1油气环具有双重作用，通常按气环选用背隙。⑴气环⑴气环槽底直径=d〔2α+0.006d+0.50〕1 1 1(mm)⑵油环槽底直径=d〔2α+0.006d+1.50〕1 1 1(mm)式中α—活塞环径向厚度，mm1d —气缸直径或环的公称直径，mm。1图3-7 环槽构造示意图最小侧面间隙〔3-5〕侧面间隙≤100100～侧面间隙≤100100～174～1742000.0400.040—0.0400.0400.065气缸基本直径d1点燃式内燃机压燃式内燃机第一环槽下部环槽第一环槽下部环槽侧面间隙≤1000.0400.0400.0650.040100～1740.0650.0400.0650.040174～200——0.0750.065气缸基本直径d点燃式内燃机压燃式内燃机1注：刮环具有双重作用，通常按气环选用侧面间隙端面间隙在同一台发动机上，由于各处温度不同，各道环与环槽的端面间隙是不一样的，一般靠近燃烧室的环〔第一道环，温度较高，其值应取大一些。活塞环直径〔mm〕

3-6

端面间隙〔mm〕70＜d≤1781178＜d≤2501250＜d≤4051405＜d≤6001600＜d1

0.064～0.114*(0.038～0.089)0.076～0.127*(0.064～0.114)0.102～0.152*(0.076～0.127)0.152～0.216*(0.127～0.191)0.152～0.229*(0.127～0.203)注：*为气环第一环间隙，其次、三、四环间隙与油环一样。括号内数字为油环间隙。活塞环槽护圈铝合金活塞的环槽，特别是第一环槽，由于承受高温高压气体的作用，其材料硬度显著降低，变得不耐磨。为了提高环槽的耐磨性，可在第一环槽〔有时包括其次环槽〕上镶嵌上各种外形的3-8构，其中〔c〕的构造还同时保护了球 a) b) c) d)型燃烧室最简洁消灭裂纹的喉口局部； 图3-8活塞环护圈的构造〔d〕的构造还同时保护了活塞顶面的一局部，顶部与环槽两局部用三条筋相连。为了避开环槽镶圈在运动时发生松动，以及防止中间产生龟裂、剥落，要求使用热膨胀系数与合金相近的材料。一般承受镍奥氏体铸铁或锰奥氏体铸铁。环槽护圈大局部都用于铸铝活塞中。通常应用A1-Fin法的结合工艺，其工艺过程是：将0.001～0.005mm，然后放在铝活塞铸模中与铝活塞一起浇铸。预先渗铝，使护圈和活塞材料依靠相互集中〔FeA30.020.03防止两种金属接合面剥离。环槽经加工形成。环槽护圈的截面外形一般为梯形，使铝合金冷却时沿径向收缩，以卡紧护圈。承受铸铝活塞的强化柴油机，也可以承受护圈，但需将护圈外表做得粗糙，形成很多坑，以使活塞在铝合金和护圈之间形成结实的机械结合。缸径大于100mm的高速柴油机已被广泛承受3～10活塞环的计算3.5.1P活塞环在自由状态下不是圆形，其曲率半径沿环周各点是变化的，且大于气缸半径，只有当装入气缸前方成为正圆形。环装入气缸前的外形称为自由状态，环的自由状态打算环装入气缸后的径向压力分布。径向压力分布大致可分为：均匀分布〔等压环、梨形分布〔高点环〕和苹果型分布〔低点环〕三种。1等压环等压环从自由状态变到工作状态后，沿环周的径向压力是均匀分布，即P0=const。等压环由于使用后磨损等缘由，环周压力分布恶化，在开口处的径向压力急剧下降，所以使用寿命短，一般使用于二冲程中速发动机。2高点环高点环开口处的径向压力PP0，P：P03：1。能提高环开口端的减震力气，耐磨性和气密封好。现代高速四冲程柴油机和汽车发动机广泛应用高点环。3低点环低点环主要用于二冲程柴油机和大型柴油机，开口处的径向压力低于平均径向压力，以防止环端跳入气口使环折断，或者是为了矫正热变形的影响，以保证均匀贴合。工作状态下活塞环的闭口间隙S1闭口间隙一般按GB/T1149选取，或按产品图纸要求而定，但最小间隙必需大于下式计算值。S=πdαΔt (mm)1 1式中：dmm；1α—热膨胀系数，合金铸铁按α=1.1×10—5/℃；Δt10080℃Ft切向弹力是在环的切口处径向厚度中点上沿切线方向施加力，使环从自由开口尺寸压缩到闭口间隙时所需的力。尺寸系列的切向弹力值仅适用于平均弹性模量E=100000N/m2材料〔即非调质铸铁环其它材料则按弹性模量E3-7修正系数乘以尺寸系列表的切向弹力值即可。镀铬或喷钼活塞环的切向弹力修正系数为表3-70.93-7活塞环材料平均弹性模量N/mm活塞环材料平均弹性模量N/mm2切口弹力修正系数调质铸铁1127761.15球墨铸铁1569061.6钢1962002切向弹力FtE·h〔m-S〕Ft=────────—K·K〔kgf〕1 214.14(d1/α1-1)3式中：E—弹性模量，kgf/mm2；hmm；1m—自由开口，mm；Smm；1dmm；1αmm；1K 断面减弱系数；1——K28%～118%，0.12mm3f1110%。活塞环设计时，首先确定切向弹力，然后再打算环的自由开口尺寸。高速发动机活塞环设计通常用转变环的径向厚度方法来调整环的弹力。平均比压P0比压P0摩擦损失、耐磨性。比压过高，磨损加剧导致缸套磨损严峻；比压过低，环密封性差，最终1.5～2f/21.5～2.5f/2。2FtP0=─── MPaｈ0d1式中：ｈ—环外圆面与气缸壁的接触高度，等于刮片数量与刮片高度的乘积，mm0Ft—切向弹力，Ndmm1m自由开口尺寸指在自由状态下，环开口两端径向中点的弦距。它的大小既要满足活塞环弹力的要求，又要满足工作应力和安装应力的要求，m值过大，工作应力较大，会造成较大的弹性消逝，m一般，合金铸铁气环和整体油环m/d=13～14%，16%；球铁环m/d=8～11%，1