活塞环的结构、工作原理与表面处理

活塞环的结构、工作原理与表面处理第一章

活塞环的工作原理及作用

2009-2-20

1)高压;

2)高温;

3)高速;

4)变负荷

5）润滑困难1、1活塞环的工作环境

2009-2-20一道环二道环油环1、第一道气环工作环境最为恶劣，高温高压，第一道气环的主要功能是密封气体和带走热量。2、第二道气环主要功能是与第一道气环一道密封燃烧室。3、油环顾名思义，主要用来刮油，刮走钢壁上多余的润滑油，保持适度润滑，减少机油消耗。1.2活塞环的组件2009-2-201.3活塞环在发动机中的四大主要作用:

1活塞环的密封作用

2.活塞环的控油作用

3.活塞环的传热作用

4.活塞环对活塞的支撑作用2009-2-20活塞环的密封作用1:燃烧室的组成：汽缸、汽缸盖、活塞、活塞环、汽门等。2009-2-20活塞环的密封作用第一道气环主要是密封气体第二道是密封气体与调节油膜厚度２：燃烧室必须尽可能的密封气体，这样快速燃烧的油气混合物才能推动汽缸的活塞向下运动带动曲轴转动，此功能称为“密封气体”。３：其中第一道环密封80-90%的气体;第二道环密封10-20%的气体;油环密封约5%的气体.4:不用活塞环可以吗?2009-2-20活塞环的控油作用

1、活塞环的控油作用:

是指避免机油过多进入燃烧室,将机油消耗保持在所需水平,同时降低有害废气排放。

2、其中油环控制约70-90%的机油,气环控制约10-20%的机油;

油环刮下机油由漏油孔流入活塞。回油孔2009-2-20活塞环的传热作用1、活塞环的传热作用:

指活塞环将热量从高温的活塞传导至冷却的汽缸壁或发动机缸体上。2:传热的途径:活塞-----活塞环----汽缸------冷却介质(缸体)

3、传热的效率: 70%~80%的热量从活塞环槽经由活塞环传至汽缸壁..活塞的热量通过活塞环传至汽缸壁。2009-2-20活塞环的支撑作用1:活塞环的支撑作用:

是指避免这种撞击现象，减小磨损。2009-2-20第二章活塞环的结构及形状2009-2-20

1:主要分为两种: 气环（压缩环）与油环。

2:按结构分:整体环与组合环；3:按环断面形状:矩形环、梯形环、楔形环、外切扭曲环、鼻形环、开槽油环、异向倒角油环、同向倒角油环、开槽螺旋撑簧环、异向倒角螺旋撑簧环、同向倒角螺旋撑簧环、钢带组合油环；4:按外侧面形状:柱面、锥面、桶面；5:按棱边形状:上侧面内切台、上侧面内倒角、下侧面内切台、下侧面内倒角、内棱边倒角、外圆面棱边倒角、内外圆边面棱边倒角；6:按镀层形状:无镀层、全镀层、半镀层、镶嵌。7：按撑簧类型：钢带组合环、螺旋撑簧环2.1活塞环的分类2009-2-20活塞环整体环气环矩形环梯形环梯形环柱面桶面锥面内倒角内切台内棱边倒角外棱边倒角无镀层全镀层半镀层镶嵌刮环鼻形环外切扭曲环柱面锥面内棱倒角无镀层镶嵌油环槽油环异向倒角油环同向倒角油环内棱边倒角①②③④⑤⑥③④⑤⑥③⑤

分类原则①结构④外圆面形状②功能⑤棱边形状③剖面形状⑥镀层结构⑦撑簧类型2.1活塞环的分类2009-2-20组合环油环螺旋撑簧环钢带组合环开槽油环异向倒角油环同向倒角油环异向倒角成形磨削油环无镀层全镀层①②⑦③⑥

分类原则①结构④外圆面形状②功能⑤棱边形状③剖面形状⑥镀层结构⑦撑簧类型活塞环2009-2-20

优点:

矩形环是目前用得最多的一种截面形状。结构简单、制造方便，适于大于批量生产。 缺点;

性能较差，在高速强化柴油机上很少应用。

主要用途:

压缩机、割草机及其它两冲程发动机。

2.1.2断面形状分类1、矩形环（Ｒectangularring）2009-2-20

优点:

由于活塞环的径向运动，可有防止碳化物沉积及活塞环结胶卡死；有利减少漏气。 缺点:

工艺复杂，特别是两侧表面（圆锥面）的精加工较困难。用途:

通常用于热负荷大的柴油内燃机的第一道压缩环（气环）。2、梯形环（keystonering）2009-2-20优点：刮油性能和密封性能良好，磨合性好，抗胶结能力好,缺点：半梯形环的弹力比同断面积的矩形环约减少l0%主要用途：一般柴油机第一环常采用楔形环。3、楔形环（halfkeystonering）2009-2-20优点：磨合期短，刮油好，避免环与环槽撞击。缺点：气密性较差，漏气量比其它扭曲环大30～50％主要用途：不宜用作第一道环，多数用在油环上面的那道气环。4、外切台扭曲环scraperring(stepped)2009-2-20优点：鼻形环具有刮刀般的棱边，所以刮油能力很好缺点：鼻形环的漏气量较大主要用途：鼻形环多用于中速内燃机的二道、三道压缩环5、鼻形环Napierring(undercutstep)2009-2-206、开槽油环slottedoilcontrolring最早使用的油环型式在环外周切环形槽，形成二道滑肩，面压可达100~150KPA 2009-2-20

优点：面压较开槽油环高，达300~450KPA。主要用途：该环在大功率柴油机中使用较多。7、异向倒角开槽油环bevelled-edgeoilcontrolring2009-2-20优点：有较高的平均压力。为了减少环的磨损，同向倒角油环的刮油能力比异向倒角油环更强。主要用途：该环在大功率柴油机中使用较多。但其仍有被同向倒角螺旋油环取代的趋势。8、同向倒角开槽油环double-bevelldeoilcontrolring2009-2-209、开槽螺旋油环coilspringloadedslottedoilcontrolring优点：提高环的径向压力，保证油环与气缸壁均匀而稳定的贴合，减小磨损及降低机油消耗量。较高的弹性保持性主要用途：适用于强载的中、高速柴油机。2009-2-20优点：较高的弹性保持性，提高了环的径向压力(800~1200MPA)，保证油环与气缸壁均匀而稳定的贴合，能减小磨损及降低机油消耗量。主要用途：适用于强载的中、高速柴油机。10、异向倒角螺旋油环coilspringloadeddouble-edgeoilcontrolring同向倒角螺旋油环coilspringloadedbeevelled-edgeoilcontrolring2009-2-20优点：刮油性好，机油损耗比开槽油环降50~80%，重量轻、环槽磨损轻。缸套的变形适应性强，回油通路面积大,不易积炭主要用途：广泛用于摩托车、四冲程高速汽油机及小型高速机11、钢带组合油环expander/segmentoilcontrolring2009-2-202.1.2外圆形状分类1、柱面2、桶面优点：桶面环密封性强，润滑好，又因汽缸壁的接触面在初期是很窄的，故磨合期短，还能保证良好的润滑和避免棱缘负荷。主要用途：高强化发动机普遍采用2009-2-20优点：锥面环密封性能良好，向下运动时，刮油性好。主要用途：锥面环常用于第二、三道压缩环。

3、锥面（Ｍ）2009-2-202.1.3棱边形状分类优点：磨合性好，减轻了环对环槽的冲击；防止窜气窜油的效果都较好，向下刮油的作用也很好。缺点向下刮油时有少量机油进入环槽。主要用途：适用于中、小功率柴油机第二、三道压缩环。1、上侧面内倒角2、上侧台内切台2009-2-20优点：具有良好的磨合性和密封性，缺点：下行刮油作用不好，可能引起窜油主要用途：主要与锥面环结合，形成锥面反扭曲环。3、下侧面内倒角4、下侧面内切台2009-2-205、内棱边倒角6、外圆面棱边倒角7、内、外圆面棱边倒角2009-2-20镀层形状分类按镀层形状就分为——无镀层（a）、全镀层(b)、半镀层(c)、镶嵌(d)。abcd2009-2-20第三章

活塞环表面处理

第三章-----活塞环表面处理

活塞环培训资料2009-2-20第三章-----活塞环表面处理镀铬层

活塞环培训资料3.1镀铬

将外圆加工成桶面

将外圆加工成锥面为什么镀铬:提高使用寿命镀铬的优点:硬度高(HV900～l000),抗磨料磨损性能好

熔点高(l770℃),改善耐熔着性能导热性好

摩擦系数小镀铬的缺点:磨合期长改良措施：2009-2-20第三章-----活塞环表面处理

活塞环培训资料3.2喷钼

喷钼环的外观：喷钼层是多孔组织的贮油结构覆层喷钼的优点:储油性好

缩短初期磨合期

熔点高（2640℃）耐蚀性、气密性与镀铬相近导热性好喷钼的缺点：耐磨损能力比镀铬环差附着力较低,钼层易产生剥落

成本较高2009-2-20第三章-----活塞环表面处理3.3磷化

什么是磷化磷化处理是在铸铁环表面生成磷酸盐薄膜磷化层的外观：黑色,厚度为0.00l～0.003mm磷化的优点:具有柔软、存油等性质,能改善磨合和抗拉缸性能,有防蚀、防锈作用。磷化处理所需设备简单、操作方便、成本低、效率高2009-2-203.4氧化

3.4氧化处理后活塞环的表面呈深红色

作用与磷化相同，差别就是：磨合时间较长一点2009-2-20第三章-----活塞环表面处理3.5垳磨亮带

垳磨亮带是什么:

将环放入垳磨机中进行垳磨.环在机器中上下运动并自转.这样使环的凸出处磨出一条镜面亮带.由于环的开口处面压较大,所以在开口处的亮带会呈现出喇叭口形.

垳磨亮带的优点:

增强刮油性能

密封性好

缩短初期磨合

珩亮带用在那种环：

桶面环

活塞环培训资料2009-2-20第三章-----活塞环表面处理3.6特殊垳磨

特殊垳磨的优点:

增强储油性能

加快初期磨合

活塞环培训资料2009-2-20第三章-----活塞环表面处理3.7氮化

氮化处理一般选用的材料:

高铬不锈钢

氮化的优点:

1、提高表面硬度，降低摩擦系数，

增强耐磨性；

2、抗腐蚀性能好，导热性能优良；

3、有一定的抗熔着磨损性能

氮化深度定义:

具有硬度等于或大于700HV的硬化区的深度。这一区域可提供稳定的耐磨性

晶相图

活塞环培训资料2009-2-20第三章-----活塞环表面处理渗陶是什么:

通过化学方法将陶瓷材料渗入金属表层，使表层形成金属与陶瓷的复合薄膜.

渗陶的优点:

明显的节油效果

硬度高、耐高温、耐磨性好

良好的导热性

尾气排放减少40-60%

渗陶活塞环与铸环比较：

渗陶活塞环的机械性能大大高于铸铁活塞环，耐磨性提高1.5倍，而磨合时间及缸套磨损程度则分别降低22%及30%。

活塞环培训资料3.8渗陶2009-2-20第三章-----活塞环表面处理3.9镀锆

镀锆处理后活塞环的表面呈金黄色

活塞环培训资料2009-2-20第四章

活塞环常用术语

第四章-----活塞环常用术语

活塞环培训资料2009-2-20第四章-----活塞环常用术语4.1车副,缸副,环组:

一车副:指的是一辆车,即一台发动机.

一缸副:指一个气缸.

环组:指一个活塞上要用几道环三环组

活塞环培训资料2009-2-20第四章-----活塞环常用术语4.1.1车副,缸副,环组的相互关系:

引擎:OM352是五环组,六缸机五环组六缸机

活塞环培训资料2009-2-20第四章-----活塞环常用术语4.2环高,径向厚度,自由开口,锥度.

4.2.1环高:环轴向的高度

4.2.2环的直径：缸套的名义直径

4.2.3径向厚度:即直径方向的厚度.

l

径向厚度过大，背隙变小，环作径向振动时易与活塞槽干涉，同时环体柔性下降，对缸套的顺应性降低；

2径向厚度过小，背隙增大，泄漏通道面积增大，密封性能降低.

活塞环培训资料2009-2-20第四章-----活塞环常用术语4.2.自由开口

■活塞环自由状态下开口两端间的距离；

■自由开口过小，其安装应力大，不利

于活塞环安装；

■自由开口过大，其工作应力大，不利

于活塞环工作。

活塞环培训资料2009-2-20第四章-----活塞环常用术语4.3弹力,闭口间隙

4.3.1弹力:

切向弹力和径向弹力

■活塞环实现自张并建立密封面的关键

参数；

■活塞环弹力有径向和切向弹力两种，二

者互为关联，且一一对应

活塞环培训资料■弹力过小则密封面不易建立，压缩气

体、高温燃气易泄漏造成整机功率下降；

另一方面，弹力过小还会造成机油上窜，

导致较高的机油消耗；■弹力过大易导致摩擦面机油过少，油

膜厚度过小，甚至油膜破裂，导致磨损

加剧；另一方面，弹力过大其摩擦功损耗

大，导致整机功率下降；

2009-2-20第四章-----活塞环常用术语闭口间隙

■活塞环在名义缸径中两

开口端之间的距离；

■在考虑热膨胀因素基础

上，较小的闭口间隙有利

于密封气体和降低机油消耗；

■闭口间隙过小将导致环卡

死而失去功效；

■闭口间隙过大将导致较大

的气体泄漏和机油消耗。

2009-2-20活塞环的自由状态是决定活塞环密封作用的关键因素。活塞环的自由状态外形分为：均压形〈正圆形〉、高点环(梨形、桃形)、低点形(苹果形)活塞环外圆椭圆度2009-2-20环的其它术语：2009-2-20第五章

活塞环的材料2009-2-20５.１活塞环的材料要求由于活塞环处于高温高速高压润滑困难的严酷工况，为了工作的可靠性及耐久性，对环材料的要求很高，这些要求如是：

１、良好的耐磨性和耐蚀性；２、必要的机械强度及热强度；３、足够的弹性和弹性保持性；４、良好的加工性。５.２活塞环的常用材料

a.合金铸铁铸铁中加入铬、钼、铜或钨、钒、钛、等成分称之为合金铸铁。低合金铸铁：合金量《3%，中合金铸铁：合金量3%-10%，高合金铸铁：合金量》10%优点：提高了材料的机械性能和耐磨性。其合金铸铁中片状石墨类似固体润滑剂，抗拉缸性强。用途：适用于各种发动机、压缩机.。2009-2-20所加入的几种元素对活塞环机械性能的作用：钨的加入对提高合金铸铁活塞环的高温强度起重要的作用,对常温下的强度、硬度和弹性也有所提高：其加入量一般为0.3%-0.6%铬是强烈的碳化物稳定元素之一,，它的加入使铸铁硬度大大提高,提高铸铁的强度、硬度和弹性,，提高铸铁的耐热性和耐蚀性很有效。其加入量一般在0.2%-0.3%。钼是一种温和的反石墨化元素,钼的加入提高了铸铁的强度和硬度,大大提高了铸铁的热稳定性.钼还能降低铸铁组织和性能对壁厚的敏感性。加入量一般在0.15%-0.35%。钒是强烈的反石墨化元素,钒的加入使铸铁的强度和硬度有很大提高,加入量在0.15%-0.3%之间。钛的加入对提高活塞环的强度有显著的效果。提高了铸铁的机械性能和而磨性,加入量一般为0.1%-0.2%2009-2-20

钒钛合金铸铁活塞环在机械性能上,特别是强度和弹性模数优于铬钼合金铸铁活塞环。钒钛合金铸铁活塞环与铬钼合金铸铁活塞环在硬度上和热稳定性上没有多大区别,但抗弯强度和弹性模数相差很远,由于铬钼合金铸铁活塞环的强度较低,断环的现象比钒钛合金铸铁活塞环要严重得多。而我们公司采用的材料都是钒钛合金铸铁（VanadiumTitaniumcastiron），其化学成分如下：，，，，，Ti0.06-0.20，，Cr0.15-0.40，S<0.1钒钛合金铸铁铬钼合金铸铁抗弯强度490MPa441MPa弹性模数9.3l×104MPa2009-2-20b.多元合金铸铁加入铬、镍、钼等十几种合金元素的铸铁，具有高于普通合金铸铁的高耐磨性和抗折断性，其技术难度及成本较高，主要应用于一些高速柴油机。c.球墨铸铁铸铁中碳全部或大部分以球状石墨形式存在的称之为球墨铸铁。优点：具有高强度特性，能给活塞环带来较高的接触压力以提高密封性和刮油性。缺点：在表面无耐磨涂层时，其耐磨性不如合金铸铁性能：其抗拉强度为600-900MPa,

弹性模数高达l50000-l70000MPa。2009-2-20

自l992年以来,Albama活塞环厂从德国格策活塞环公司引进了球墨铸铁活塞环制造技术,目前生产的球铁环无论是产量还是质量在国内均处于领先水平,达到了国外先进国家球铁环质量要求。我们公司采用的球墨铸铁环（KV1）其化学成分如下：，，Mn<0.50，P<0.10，，Cr<0.10，，。组织形态：石墨为球状机械性能：硬度：HRB104-112，270-360HB

弯曲强度：1300Mpa

抗弯强度：600Mpa

弹性模数：150000MPa2009-2-20c.钢质优点：具有极高的弹性模数和抗弯强度，表面可处理性强，其表面覆以适当处理层时，能改善活塞环的耐磨性、润滑条件，增加活塞环的抗折断性能，用途：摩托车及高速汽油机广泛采用的材料。2009-2-201）高强度材质能使较薄的活塞环承受强大的运动负荷，即使高质量的铸铁的强度仍不及钢质材料.活塞环材料需在其使用寿命期间保持其设计张力。2）热稳定性能使活塞环材料在高温变弱情况下，仍有上乘表现。钢质环料性能要比铸铁环材有更好的热稳定性。3）更优越地抗弯强度意味较小的弹力偏转，对比铸铁弹性模量(157~167Mpa)，对比铸铁(157~167Mpa）的弹性模量，钢质环料的弹性模量(200~215Mpa)更佳，这有利于设计更薄，更轻的活塞环。4）不但基础材质能耐腐蚀，而且材料能易于进行各种表面处理与加工。随着设计者有着有更多的表面处理选择，需要有更高适应性的材料满足设计需求。钢质环材有着此种特性。钢质的性能：2009-2-20GZ材料规范表2009-2-205。3铸造方式5.3.1单体叠箱铸造

优点：加工余量小、组织致密、机械性能好缺点：设备要求较先进、补缩能力差5.3.2双片叠箱铸造优点缺点介于单体铸造与筒体铸造之间；合金铸铁一般不用此方法，此法多用于球墨铸铁环5.3.3筒体砂型铸造

优点：容易铸造、废品率低、补缩效果好、

缺点：需要切片、加工余量大、机械性能也较差2009-2-205.3.4筒体离心铸造优点：不用砂型、减少运输量、节省人力、设备简单、工装制造容易、操作方便、易实现机械化、自动化、劳动强度低、劳动条件好、占地面积少、铸件补缩能力强、不易产生缩孔、气孔、金属基体致密

缺点：毛坯是正圆的、壁的厚度很厚、要切片、内外圆加工余量大、偏析比较严重、机械性能不够稳定2009-2-20第六章

活塞环的质量标准及检测方式2009-2-20

活塞环发动机中极为重要的零件，除了要求良好的机械性能及内在质量之外，还要求尺寸精密、几何形状准确，同时也要求要有较好的外观质量。我国汽车活塞环生产厂现在执行的技术标准是机械工业部标准JB3833-85《汽车、摩托车发动机活塞环技术条件》、JB3916-85《汽车发动机螺旋衬簧铸铁油环技术条件》、JB3934-85《汽车、摩托车发动机单体铸造活塞环金相标准》、ZBT12001-85《汽车发动机钢带环组合油环技术条件》，各标准分别列有了关于活塞环的材质、金相组织、机械性能、尺寸及整形公差、表面处理及外观质量等，并规定了相应的检测方法。2009-2-201、检测方法2009-2-202009-2-202009-2-202009-2-202009-2-202009-2-202009-2-202、常见量具简介

量具是测量零件的尺寸、角度、形状精度和相互位置精度等所用的测量工具和量仪。（根据一般习惯，常将结构简单、主要在车间使用的测量器具称为量具；而将结构复杂、精确度高、主要在计量室使用的测量器具称为量仪）以下说明一下我们常用的二种量具１游标卡尺游标卡尺可以直接测量出工件的内外直径、长度、宽度和深度等尺寸。游标卡尺的测量精度一般为0.1毫米、0.05毫米、0.02毫米三种。

2.1游标卡尺的读数原理

a)0.02毫米精度游标卡尺主尺每格为1毫米，副尺刻线总长为49毫米并均分为50格，每格为40/50=0.98毫米，则主尺与副尺相对一格之差为1-0.98=0.02毫米，它的测量精度即为0.02毫米。2009-2-202.2、游