04第三章活塞环的设计

第三章活塞环的设计

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。

3.1 活塞环的设计原则

根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：

1 有适当的弹力，以利初始密封；

2 有较高的机械强度和热稳定性好；

3 易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶能力；

4 加工工艺简单，成本低廉。

活塞环设计采用弹性弯曲理论，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。根据这些应力的最佳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倍的环径向厚度，环直径/径向厚度之比在22～34之间。

经长期设计经验之积累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的推荐范围，如表3-1～3-4所示的数据，给活塞环设计提供一个全面的指南。

表3-1 气环侧隙

环直径间隙

顶环第二和第三道环

76~178mm ＞178~250mm ＞250~405 mm ＞405~600mm ＞600mm 0.064/0.114 mm

0.076/0.127 mm

0.102/0.152 mm

0.152/0.216 mm

0.152/0.229 mm

0.038/0.089 mm

0.064/0.114 mm

0.076/0.127 mm

0.127/0.191 mm

0.127/0.203 mm

表3-2 油环侧隙

环直径间隙

76~178 mm

＞178~250 mm ＞250~405 mm ＞405~600 mm ＞600 mm

0.038/0.089 mm

0.064/0.114 mm

0.076/0.127 mm

0.127/0.191 mm

0.127/0.203 mm 表3-3 闭口间隙

发动机型式单位缸径的闭口间隙

水冷

风冷及两冲程

0.003/0.004

0.004/0.005表3-4 侧面光洁度

活塞环直径侧面光洁度CLA

≤178 mm ＞178~405 mm ＞405~920 mm 最大0.4μm 最大0.8μm 最大1.6μm

3.2 活塞环的设计要素

活塞环的设计要素可以从材料、断面形状、表面处理等三个方面来进行分析、参数选择、方案对比。

3.2.1 活塞环的断面形状

活塞环断面形状的设计是活塞环结构设计的重要组成部分。活塞环的断面形状应能满足密封性好、迅速磨合、刮油能力强的要求。断面形状设计从传统的简单确定经纬尺寸，发展到根据不同位置、不同环别以及该环所期望侧重的功能等综合选择断面形状。

气环常用的主要断面形状有矩形、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形状有外阶梯形、鼻形、内撑弹簧形等。现就内撑弹簧组合油环体断面有关结构参数作一简述。

1 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，径向厚度取3～5mm为宜。

2刮油边高度

定义油环外圆面与缸壁接触的轴向高度

当平均径向压力确定后，刮油边高度和切向弹力成正比，根据实践经验，环高＜4mm刮油边高度按0.5±0.1mm；环高＞4mm，刮油边高度按0.6±0.1mm为宜。

3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一定的设计范围，根据环磨损达到最大允许值时，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，环磨损达到极限值时，油槽半径方向最小间隙为0.20mm，因此，集油槽深度为0.7～0.8mm个别可达0.9mm，槽底壁厚一般按1.5～2mm设计，具体尺寸由组合径向厚度和弹簧外径而定。

4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基础上，有足够的机油通道即可，但还必须满足工艺上的要求，一般选用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，圆弧形状为Ｕ形。

3.2.2 活塞环的切口形状

活塞环的切口形状主要有三种：直切口、斜切口和搭叠式切口（见图3-1）。活塞环安装时应使各种切口相互错开以减少漏气量。

图3-1 切口形状

（a）直切口；（b）和（c）斜切口；（d）搭叠式切口

加工简单，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～60º之间，通常以45º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。

3.2.3 活塞环的表面处理

活塞环的表面处理在现代活塞环技术中占有很大的比重，回顾活塞环的表面处理技术的发展过程，实际上是一个从易到难，从简单到复杂，从单一性能到综合性能的演变过程。

活塞环表面复层的方法很多，可归纳为二大类：

1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（F3O4）、磷酸盐、锡等；

2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、高速发动机主要是第二类。

活塞环表面处理种类很多，常用的有：

1磷化处理

磷化是指在活塞环表面通过磷酸盐处理，生成多孔性的磷酸锰（或锌）和磷酸铁的柔软薄膜。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。

2 硫化处理

硫化是指用渗硫的方法在活塞表面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。

3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，一种新的复层——喷钼，发展起来。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表面上。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，而镀铬环已出现严重的熔着现象。

（2）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情况下，以采用镀铬环为佳，在可能产生熔着的情况下采用喷钼环为宜。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。

（3）耐腐蚀性能

喷钼环有足够的耐蚀性，比镀铬环略好一些。

（4）磨合性与密封性

由于钼环的多孔结构（可贮油和脆性），它的磨合性能较镀铬环好，使摩擦损失减少；同时，其贮油特性有利于密封。

喷钼层的厚度，据资料介绍，喷钼压缩环钼层厚度一般为0.10～0.20 mm，最小可用0.05 mm，对于重载发动机可取0.15～0.30 mm。