活塞环技术交流课件

P0活塞环基础知识及技术发展南京飞燕活塞环股份有限公司2012-11P1活塞环技术发展2活塞环基础知识及制造工艺1失效模式分析3P2一、活塞环基础知识及制造工艺1.1活塞环的基本功用1.2活塞环的几种结构特征1.3几个常用公式1.4活塞环制造工艺简介活塞环基础知识及制造工艺1P3●密封●导热●控油●支撑

1.1活塞环的基本功用一、活塞环基础知识及制造工艺P4

在压缩和膨胀冲程，活塞环对由上而下的燃烧气体起密封作用。●密封各道环密封量第一密封面第二密封面一、活塞环基础知识及制造工艺P5

活塞约70%的热量是通过活塞环端面、外圆导入缸套。●导热各道环导热量一、活塞环基础知识及制造工艺P6

将飞溅、喷射到缸壁上的机油均匀地分布在气缸壁上，将多余的机油刮下，建立起油膜，刮下的机油经活塞和缸套的间隙、活塞油槽泄油孔回流至曲轴箱。●控油气环刮油10-20%油环刮油80-90%一、活塞环基础知识及制造工艺P7

活塞、活塞环作同步往复运动时，活塞对活塞环施加往复惯性力。连杆对活塞产生侧压力，并使活塞偏摆，活塞环施加摩擦反作用力，从而对活塞起支撑作用。●支撑作用摩擦反作用力一、活塞环基础知识及制造工艺P81.1活塞环的基本功用1.2活塞环的几种结构特征1.3几个常用公式1.4活塞环制造工艺简介活塞环基础知识及制造工艺1一、活塞环基础知识及制造工艺P9

梯形环即截面形状为等腰梯形的气环。受活塞摆动、缸套圆柱度变化、磨损的影响，环与环槽会发生径向相对运动，环与环槽的侧隙会发生变化，环向外运动时侧隙变大，向内运动时侧隙变小，因此侧隙中的油渣、积炭随同润滑油一起排出环槽，可有效防止卡环现象。（楔形环同理）1.2活塞环的几种结构特征1.2.1梯形环一、活塞环基础知识及制造工艺P10正扭曲反扭曲若环的截面不对称，在闭合状态下会产生扭曲现象，根据扭曲方向的不同，分为正扭曲、反扭曲。活塞缸套活塞环1.2.2扭曲环机油不易通过侧隙上窜燃气不易通过侧隙下窜一、活塞环基础知识及制造工艺P11下端面上端面反扭曲环使用后的端面磨损形态一、活塞环基础知识及制造工艺P12

1.2.3桶面/偏桶面对称桶面不对称桶面(偏桶）半镶嵌镀一、活塞环基础知识及制造工艺P13●不对称桶面工作原理

不对称桶面的中凸点在中心线以下（类似锥面环），使活塞环下行时刮油，形成较薄的油膜。因油楔的存在而使环在上行时不致向上刮油。即活塞环在上行时布油，下行时刮油，有利于降低机油耗。一、活塞环基础知识及制造工艺P14顶环的工作面下棱边形状对封气和刮油能力有较大影响。对称倒角不对称倒角尖角去毛刺1.2.4工作面下棱边形状一、活塞环基础知识及制造工艺P15高压（正椭圆）等压（正圆）负压（负椭圆）压力型线是影响磨损、环与缸套贴合能力的一个因素，一般来说，对于爆发压力较高的柴油机需采用负压环（指开口处对缸套的接触压力低于环周对缸套的平均压力），对于普通增压机可采用等压环，对于农用单缸机等可采用高压环。1.2.5气环的压力型线（径向压力分布曲线）一、活塞环基础知识及制造工艺P16用椭圆度来间接描述型线。用柔性薄钢带将环闭合至工作间隙，其短径与长径的差值即为环的椭圆度,Ov=φd3-φd4。椭圆度分为正椭圆、正圆、负椭圆。一、活塞环基础知识及制造工艺P171.2.6铸铁/钢质油环铸铁油环I型钢油环一、活塞环基础知识及制造工艺P18铸铁油环I型钢油环一、活塞环基础知识及制造工艺P19一、活塞环基础知识及制造工艺P20活塞环基础知识及制造工艺11.1活塞环的基本功用1.2活塞环的几种结构特征1.3几个常用公式1.4活塞环制造工艺简介一、活塞环基础知识及制造工艺P21面压计算公式P=整体环弹力计算公式E=P——面压（Mpa）；Ft——切向弹力（N）

B——与缸套接触高度；D——缸径

T——径向厚度；L——自由开口

S——闭口间隙；k——截面系数、表面处理系数

h——环高E——材料的弹性模量（MPa）1.3几个常用公式径向弹力Fs=2.63Ft(径向压缩至闭口间隙时)活塞环系数一、活塞环基础知识及制造工艺P221.1活塞环的基本功用1.2活塞环的几种结构特征1.3几个常用公式1.4活塞环制造工艺简介活塞环基础知识及制造工艺1一、活塞环基础知识及制造工艺P23◎成组加工，批量化生产◎工序复杂◎专机生产◎精度要求高1.4活塞环制造工艺简介

1.4.1活塞环制造工艺的特点一、活塞环基础知识及制造工艺P24毛坯阶段前机加工表面处理后机加工检验包装混砂、造型、熔炼、浇注、热处理、切片、平面磨等内外圆仿形车、切口、修口、倒外角、精车等镀铬（复合镀、喷钼、氮化等）修口、珩磨、精镗、光磨、磨楔/梯形、成型磨等平均每道环约60道工序一、活塞环基础知识及制造工艺P25铸造磨削机加工磷化前机加工包装入库电镀或其他表面处理后机加工热处理弹簧加工检验1.4.2铸铁环典型工艺路线见流程图一、活塞环基础知识及制造工艺P261.4.1钢质环典型工艺路线绕圆开口定型前机加工氮化后机加工检验包装入库一、活塞环基础知识及制造工艺P27

随着汽车尾气排放法规的升级、整车使用寿命的延长，发动机技术取得了重大发展，一系列新技术得以运用。作为发动机的一个重要运动件——活塞环，它必须适应整机的发展要求。二、活塞环技术发展活塞环技术发展2P282.1活塞环总的发展趋势2.2活塞环的十大要求2.3我公司现有活塞环关键技术2.4材料技术的发展2.5表面处理的发展2.6油环的发展2.7典型设计及活塞环技术发展2二、活塞环技术发展P29a重量轻（更少的环数、更小的厚度、减小惯性力）b寿命长（材料、表面处理更加耐磨、性能稳定可靠）c摩擦小（环的弹力较低、摩擦功耗小、燃油耗低）d低机油耗（刮油能力强）e低窜气量（封气能力强）2.1活塞环总的发展趋势二、活塞环技术发展P302.1活塞环总的发展趋势2.2活塞环的十大要求2.3我公司现有活塞环关键技术2.4材料技术的发展2.5表面处理的发展2.6油环的发展活塞环技术发展2二、活塞环技术发展P31有足够的弹力使环与缸壁压紧。工作面与气缸、活塞完全贴合。（在缸套与环工作面之间哪怕存在一个非常微小的间隙也会为高压燃气和/或润滑油提供窜漏通道）所选择的材料能够承受燃烧产生的高温。材料能够抵挡排气的腐蚀。能经受住高速运动而不丧失功能。2.2活塞环的十大要求二、活塞环技术发展P32环应该避免不当的运动。（即环在活塞上不致过度敲击环槽）在上止点临界摩擦的情况下也不拉缸。环应该有足够的使用寿命。（按整机要求）环在极端严寒或酷暑的情况下也能正常工作。（开普动力为传递奥运圣火在珠峰海拔6000米处提供动力）环在工作时不致产生过大的磨损。二、活塞环技术发展P332.1活塞环总的发展趋势2.2活塞环的十大要求2.3我公司现有活塞环关键技术2.4材料技术的发展2.5表面处理的发展2.6油环的发展活塞环技术发展2二、活塞环技术发展P342.3我公司现有活塞环关键技术

2.3.1材料技术◎德国格茨材料技术的KV1、KV4、F14、GOE13、K1、K4等◎德国马勒技术的MF10、MF16、MF111、MF135等◎日本钢材技术的不锈钢型材13Cr、17Cr等二、活塞环技术发展P35

2.3.2表面处理技术◎铬与陶瓷复合镀FTC（铬基网纹镶嵌超硬耐磨粒子复合镀）◎渗陶瓷PCVD◎氮化（等离子氮化、气体氮化）◎等离子喷钼◎超音速火焰喷涂HVOF◎端面镀铬FSD◎外圆物理气相沉积PVD二、活塞环技术发展P36

2.3.3机加工技术◎负压型线制造技术——满足欧3以上排放发动机高爆发压力的需要◎镶嵌/半镶嵌镀技术——保持环外圆下棱边尖角，封气刮油能力强◎镀铬环小倒角技术——优化封气刮油能力◎锥形油带制造技术——进一步增强刮油能力（LKZ活塞环）◎I型钢油环制造技术——强度高、柔性好、刮油能力强◎钢质气环制造技术——满足顶环更高强度的需要◎偏桶面珩磨制造技术——估化磨合性能和刮油能力◎超声波清洗技术——环面洁净，清洁度满足要求二、活塞环技术发展P372.1活塞环总的发展趋势2.2活塞环的十大要求2.3我公司现有活塞环关键技术2.4材料技术的发展2.5表面处理的发展2.6油环的发展活塞环技术发展2二、活塞环技术发展P38

2.4材料技术的发展随着排放要求持续升级，爆发压力、燃烧温度越来越高，同时发动机还逐渐向轻量化方向发展，这些都对活塞环的材料提出了更高的要求。◎抗弯强度和疲劳强度◎弹力保持性（热稳定性）◎表面处理的适应性◎耐磨性二、活塞环技术发展P39

2.4.1第一道气环材料的发展普通球墨铸铁（NHC-7，KV1）高强度球墨铸铁（NHC-8，KV4）钢合金铸铁球墨铸铁铜铬钒合金铸铁（NHC-6，GOE13）铬铜合金铸铁（NHC-2，K1）高合金铸铁（NHC-9，K4/IKA）碳钢高铬钢（NHC-52）二、活塞环技术发展P40

2.4.2第二道气环材料的发展合金铸铁铜铬钒合金铸铁（NHC-6，GOE13）标准合金铸铁（NHC-2，K1）高合金铸铁（NHC-9，K4）高强度合金铸铁（NHC-5，F14）可煅铸铁（GOE44)二、活塞环技术发展P41

2.4.3油环材料的发展合金铸铁铜铬钒合金铸铁（NHC-6，GOE13）标准合金铸铁（NHC-2，K1）球墨铸铁（NHC-7，KV1）钢碳素钢高铬钢（NHC-52）用于薄油环二、活塞环技术发展P42NHC-2（K1）NHC-5（F14）NHC-7/8（KV1/KV4）NHC-6（GOE13）钢NHC-52可煅铸铁二、活塞环技术发展P43常用铸铁材料的特点二、活塞环技术发展P44I型钢质油环材料的特点◎型材直接采购、加工周期短；◎顺应性好，比铸铁环更能适应缸套的变形，降低机油消耗；◎在满足强度前提下可实现薄型化（2mm），轻量化的要求；

◎刮油带可做得很窄(0.2mm），可实现低弹力高面压，降低了摩擦功耗。二、活塞环技术发展P452.1活塞环总的发展趋势2.2活塞环的十大要求2.3我公司现有活塞环关键技术2.4材料技术的发展2.5表面处理的发展2.6油环的发展活塞环技术发展2二、活塞环技术发展P46

2.5表面处理的发展活塞环的表面处理直接影响耐磨性能，尤其是带EGR配置的发动机。同时活塞环表面处理技术的提升也是适应排放升级的重要途径。二、活塞环技术发展P47

2.5.1第一道气环的表面处理发展无处理镀铬喷钼CKS(FTC)陶瓷钼HVOF氮化PVDGDC端面闪镀铬和金刚石粒子铬和陶瓷粒子超音速火焰喷涂物理气相沉积CrN、DLC等二、活塞环技术发展P48各种涂层的耐磨性对比二、活塞环技术发展P49

2.5.2第二道气环的表面处理发展由于第二道气环的工作环境相对较好，加上材料技术的发展，因此大部分产品无需再进行表面处理，对部分有特殊要求的产品可进行镀铬或氮化处理。二、活塞环技术发展P50

2.5.3油环的表面处理发展无处理镀铬CKS38氮化PVD最外层为铬二、活塞环技术发展P51普通铬层FTC镀层横截面外圆面铬与陶瓷复合镀FTC镀层简介二、活塞环技术发展P52FTC镀层微结构示意图二、活塞环技术发展P53PVD涂层简介二、活塞环技术发展P542.1活塞环总的发展趋势2.2活塞环的十大要求2.3我公司现有活塞环关键技术2.4材料技术的发展2.5表面处理的发展2.6油环的发展活塞环技术发展2二、活塞环技术发展P55

2.6油环的发展整体油环螺旋撑簧油环铸铁油环I型钢油环钢带组合油环刮油带宽度窄形化、锥度油带

(LKZ控油环最多可降低油耗50%，减少摩擦15%)

二、活塞环技术发展P56

2.6.1螺旋撑簧的发展螺旋撑簧碳素碳簧钢丝耐热钢丝等节距变节距外圆不磨削外圆磨削直弹簧圈定型与环体的

磨损材料热稳定性及强度热稳定性及装配方便性与环体的

磨损及弹力一致性二、活塞环技术发展P57为什么要用变节距弹簧——长时间使用过的产品，环体弹簧槽开口处会发生“竹节状”磨损，因此采用变节距弹簧来解决这个问题（节距密，接触面积大、压强小、磨损小）。磨损状态二、活塞环技术发展P58典型机型活塞环设计及台架数据序号发动机名称缸数缸径环别

环高形式表面处理1索菲姆94.4494.4一气(2.5)磷化、FTC二气2.0磷化油环2.5磷化、镀铬2沃尔福492492一气(2.0)磷化、FTC二气2.0磷化油环2.0氮化3朝柴QD80499.2一气(2.5)磷化、FTC二气2.0磷化油环3.0氮化4富康478478一气1.2FTC二气1.5无油环2.5镀铬P59典型机型活塞环设计及台架数据序号产品机油耗漏气量台架时间排放等级1索菲姆94.40.1g/kwh39L/min2000小时国IV2沃尔福4920.16g/kwh45L/min1000小时国IV3朝柴QD800.15%(机燃比）50L/min400小时国III4富康478(汽油机）12L/min1000小时国IVP60对发动机/活塞环的开发而言，一般都要经过性能试验、可靠性试验、小批验证、批量验证等考核阶段以验证设计和制造状态是否满足要求。基于此，在出现故障后应该综合分析，找出问题的根源，而不只是简单的头疼医头、脚疼医脚，这在行业里已形成广泛的共识。常见的故障模式有：——过度磨损——拉缸——卡环——窜油(烧机油）失效模式分析3三、失效模式分析P613.1过度磨损a磨粒磨损是主因

——“三滤”（用途、使用区域）

——燃烧不良，积碳过多b润滑油膜破裂

——拉缸，破坏了网纹和表面光洁的形貌

——冷却（含局部冷却）不良致高温

——润滑油品质差（易忽视）c其它：磨合、维护。零件自身尺寸是否符合图纸三、失效模式分析P62发动机润滑油的作用体现在如下方面：a、润滑——降低摩擦，减小磨损b、冷却散热——水带走60%热量，油40%c、防锈防腐蚀——隔绝水、氧及其它化学物质d、清净作用——循环带走杂质，然后被机滤滤掉e、密封燃气——金属表面凹凸不平，机油填充密封三、失效模式分析P63油环外圆磨损三、失效模式分析P64活塞环侧面磨损侧隙增大油环外圆磨损刮油刃磨平三、失效模式分析P653.2拉缸造成拉缸的根源是油膜中断（干摩擦），应分清是环/缸套还是活塞/缸套之间的拉缸，二者的表现形式不同。

a活塞环与缸套之间的拉缸（早期）环行程范围拉缸活塞正常环正常三、失效模式分析P66b活塞与缸套之间的拉缸突然变宽

三、失效模式分析P67缸壁发黄，此处内孔拉缸头部被剥落一块，与此对应的缸套内径为D-0.16续前页症结：缸套严重变形，实测缸套失圆达0.30mm。三、失效模式分析P68c活塞环、活塞与缸套三者之间拉缸拉缸活塞，裙部大面积磨白未拉缸活塞，裙部轴向拉纹

三、失效模式分析P69拉缸缸套，从上往下看拉缸缸套，从下往上看，圆圈处被事先无意打磨到续前页症结：装配误操作——