活塞环梯形角测量仪的设计说明书

活塞环梯形角度测量仪设计

姓名：李洋

学号：0743024017

学院：制造学院

指导老师：赵世平黄玉波陆小龙

2011年1月

活塞环梯形角度测量仪的设计

一·概述

活塞环(Piston Ring) 是用于崁入活塞槽沟的环，分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的压缩空气；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。

活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向（支承）四个作用。

密封：指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务；

调节机油（控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑，这是油环的主要任务。在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用；

导热：通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的；

支承：活塞环将活塞保持在气缸中，防止活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。一般汽油发动机的活塞采用两道气环，一道油环，而柴油发动机则采用三道气环，一道油环。

作为发动机的关键零件，活塞环的形状对内燃机的性能有着重要的影响, 活塞环的梯形角是梯形活塞环的一个重要参数, 其角度大小直接影响到活塞环的质量及使用性能。角度过大, 易发生拉缸现象, 角度过小, 则密封性能差, 发动机功率下降且容易发生烧机油现象。要提高活塞环的质量和性能，就必须首先提高其检测技术，为解决梯形活塞环角度测量问题，我们改进设计一种检测系统——活塞环梯形角度测量仪。

二·设计目的及技术指标

1.设计目的

本次设计课题为活塞环梯形角度测量仪的设计，其目的如下：

a、巩固所学传感器、检测技术、精密机械设计、机械制图、公差分析等相关知识；

b、培养综合运用所学课程和知识的能力；

c、培养独立分析和解决实际问题的能力；

d、初步掌握仪器设计的基本方法和步骤。

2.主要技术指标

被测梯形活塞环的截面图如下图所示：

其技术指标如下：

a.测量夹角，示值误差：±2′

b.测量角度范围：±5°，可在1.5mm处测环高（选项）

c.活塞环外圆厚度：3-8mm，内圆厚度：2.5-6mm

d.活塞环径向宽度：4-6mm

e.测量效率没有要求，可以是连续自动测量，也可以是单点或多点手动测量

3.任务要求

本课程设计应该包括：测量原理框图、结构布局，主要元器件选择（传感器,导轨等），主要误差项及估算值，误差分配考虑。以测量原理和仪器总体轮廓及布局为主。

a.仪器工作原理图一张。

b.仪器总装配图一张（0号或1号图纸）——不要求所有的结构都详细设计，但至少要能表达仪器的工作原理，要求标注出主要的结构参数、零件序号及零件名称。

c.零件图5张及以上（图号不限）——要求标注所有的尺寸、公差及技术要求；

d.设计说明书一份（5000字以上，五号或小四号字）——仪器概述，仪器工作原理设计说明，仪器传感器及基准的选择及工作原理，仪器主要结构参数确定和计算，仪器精度分析和优化设计，对与之配合的电气和计算机部分的要求说明等。

三·设计内容

1.测量原理

目前存在的测量梯形角度的一般有三种方法：两点法，多点法以及光学读数测量法，其中光学读数测量法属于直接测量法，而两点法和多点法属于间接测量法。本仪器选取多点测量法为测量原理。

所谓多点法就是测量多个点，用位移传感器来间接测量梯形环角度，通过测量梯形环端面的一段组成三角形的两个直角边的长度，然后由数学关系求出梯形环角度，通过用位移传感器来测角边的长度。

测量时, 首先用压板压紧被测工件梯形活塞环, 然后由步进电机通过传动机构的精密丝杆带动空气静压导轨和工作台自左向右移动。台架上固定的电涡流传感器同时对活塞环的上、下侧面进行扫描测量, 并由水平光栅位移传感器记录横向位移。计算机对测量信号进行采样, 然后将被测面的上、下边界轮廓按比例放大显示在屏幕上。信号采样

完成后, 导轨退回到起始位置, 同时计算机对所采样信号进行数据处理, 得出测量结果, 并对所需数据或图形进行输出和打印。对于不同厚度的环, 由步进电机移动上传感器来实现测量。

2.主要结构

本仪器的主要结构详见装配图。

3.各主要元器件的选取

本仪器所涉及到的主要元器件包括：传感器，导轨，精密丝杆，步进电机等。下面将逐一进行分析。

a.传感器

设计技术指标中要求，测角范围为±5°，活塞环径向宽度为4－6mm，示值误差为±2’，故可知上下传感器测量量程和精度分别为：

6*tan5°=0.525mm………最小量程

4*tan2’=2um ………最小精度

水平传感器的测量范围为0-10mm。

上下传感器为小位移传感器，可以选择电容式传感器，电感式传感器，霍尔式传感器等。他们具有各自的技术特点：

（1）电容传感器一般量程都小于1mm。精度能达到纳米级。一般用于厚度测量，要先对被测体的导电性进行标定再进行测量。响应频率几KHz-几十KHz不等。但只能在实验室或者精密的生产线上进行测量。

（2）霍尔式传感器是非接触式测量，精度较高，但是在生产环境中容易出现较大位差。

（3）电感式位移传感器（电涡流式）电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。量程一般是毫米级，精度一般是微米级。响应频率几KHz。

鉴于仪器工作环境的影响，以及测量范围的限制等一系列工艺和技术问题，上下传感器选用电感式位移传感器。同时该传感器要求精度大于2um，因此采用了电涡流传感器, 其具有结构简单、几何尺寸小、灵敏度高、抗干扰能力强特点,其分辨率达到0.1um，完全符合测量

需要。

水平传感器选用分辨率为0.1um，测量范围为0-10mm的光栅位移

传感器。其具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等特点。调频式电涡流电感位移传感器和光栅位移传感器组成二维测量空间。