1、,Li Jian Hua 2010/01/25 Ver-01,活塞與活塞環(huán) The piston and piston rings,活塞與活塞環(huán)的功用及其特性,學習提醒： 需用心聽講，此課程培訓后將進行考試！,概述,發(fā)動機的活塞是發(fā)動機中的主要配件之一，它與活塞環(huán)、活塞銷等零件組成活 塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動 力傳給曲軸，以完成內燃發(fā)動機的工作過程。由于活塞處于一個高速、高壓和 高溫的惡劣工作環(huán)境，又要考慮到發(fā)動機的運行平穩(wěn)及耐用，因此要求活塞也 必須要有足夠的強度和剛度，導熱性好，耐熱性高，膨脹系數小（尺寸及形狀 變化要?。鄬γ芏刃。ㄖ亓枯p），

2、耐磨及耐腐蝕，還要成本低。 活塞環(huán)按作用分為氣環(huán)和油環(huán)，它有四大功用： 一、保持氣密性 二、控制機油 三、傳熱作用 四、支承作用,活塞的結構尺寸,活塞的標準形狀 如右圖所示。其中尺寸與活塞名義直徑之間的關系，一般如右表所示。,活塞設計時必須能夠確定一些主要尺寸： 1、活塞銷的直徑與厚度。 2、活塞環(huán)岸的厚度及活塞環(huán)的數目和厚度。 3、壓縮高度。 4、活塞頂厚度和活塞裙厚度。 很明顯, 是否將燃燒室安置在活塞上也是一個基本原則, 但無論如何, 這是發(fā) 動機設計的基本部分。 活塞銷的直徑與厚度 根據活塞設計理論，活塞銷直徑也受到活塞橢圓變形極限要求的影響，活塞的 橢圓變形應限定在：0.025mm。

3、活塞橢圓的變形計算如下式： 式中：P為最大氣體壓力, dg為活塞銷外徑, b為缸徑, l為活塞銷長度, E 為彈性模數, t為活塞銷壁厚。,由上式可得出： 將這些因素以及任何由于制造技術所限制的因素都考慮進去（大容積發(fā)動機的 活塞銷一般用冷擠壓）, 這些尺寸即可決定。 活塞頂厚度 活塞頂厚度常采用經驗的方法來確定, 作為一般原則, 寧可失之較厚, 雖然這 可能會有不必要的往復運動質量。確定活塞頂厚度最常用公式如下： 式中：d為活塞直徑，P為最大壓力，K為常數。 實際上，在汽油機上活塞頂厚度達到活塞直徑的0.070.10。,環(huán)岸 由于從活塞到氣缸熱量的大部分傳出是通過第一道環(huán)上面的環(huán)岸, 所以不

4、能太 窄, 但由于此寬度影響到整個活塞和發(fā)動機的高度, 因此要認真考慮, 在汽油 機上, 此環(huán)岸達到近似活塞頂厚度, 或為缸徑的0.080.10。 首道環(huán)下面的環(huán)岸厚度決定于機械應力, 因為它必須承受全部壓縮負荷。厚度 公式如下： 式中：g環(huán)槽深，P最大燃氣壓力，f活塞材料允許的安全應力。 對于鋁f為：2500MPa。 壓縮高度 壓縮高度不僅影響活塞的高度，而且也影響發(fā)動機的高度。,圖4所示為通過兩種不同角度對壓縮高度最小極限尺寸的設計。 1、對于有三個環(huán)槽的活塞，壓縮高度約為直徑的33 ；對于有兩個環(huán)槽的活 塞，壓縮高度約為直徑的28 。 2、連桿小頭的上邊緣、活塞頭部的厚度以及頭部燃燒室的

5、深度從另外一個角 度得出了壓縮高度的最小值。 第一種設計方法對平頂活塞更為重要。第二種方法對帶有一定深度燃燒室的活 塞有決定性作用。 壓縮高度的減小往往也會帶來不利。從三環(huán)結構變?yōu)閮森h(huán)結構，活塞減小了壓 縮高度，然而應看到不利之處：漏氣、油耗及排放提高或長期運行后發(fā)動機起 動困難。 活塞銷座內側止推面和連桿小頭之間留有0.2毫米左右的間隙, 連桿大頭止推 面有1.5毫米左右的間隙。,活塞裙部型線 活塞裙部指從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括裝活塞銷的銷座孔 ?；钊共繉钊跉飧變鹊耐鶑瓦\動起導向作用，并承受側壓力。裙部的長 短取決于側壓力的大小和活塞直徑。所謂側壓力是指在壓縮行程和作

6、功行程中 ，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。壓縮行程和作功 行程氣體的側壓力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以， 功行程中的側壓力也大大高于壓縮行程中的側壓力（詳見下圖）?；钊共砍?受側壓力的兩個側面稱為推力面，它們處于與活塞銷軸線相垂直的方向上。,為了使裙部兩側承受氣體壓力并與氣缸保持小而安全的間隙，要求活塞在工作 時具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔部分 的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外 ，裙部承受氣體側壓力的作用，導致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大 。這樣，如果活塞冷態(tài)時裙部為圓形，

7、那么工作時活塞就會變成一個橢圓，使 活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內卡住，發(fā)動機就無法正常 工作。因此，在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座 垂直，短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時趨近正圓。,活塞沿高度方向的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相 應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就 必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。,活塞裙部的形狀 活塞外部型線頭部呈錐形，裙部橫 斷面沿裙高呈漸變橢圓形，軸向呈 上小下大的桶形。 裙部縱向型線的確定： 裙部縱向型線可根據活塞磨合后的 實際數據確定，也可根據活塞的實 際工

8、作情況按實測數據進行多次回 歸，用最小二乘法“擬合”得出常 數多項式來確定。 裙部橢圓型線的確定： 裙部橫向型線多采用雙橢圓坐標方 程設計，每一圓周角度部位的徑向 半徑縮減量可按以下方程確定：,=G/4(1-cos2)-/25(1-cos4) 式中：G裙部橢圓度，裙部的橢圓度一般為0.3-0.5mm 。 圓周角 修正系數，可取=22.5。,活塞材料及熱處理,對于小型汽油機來講，活塞材料多位為熱膨脹系數小的共晶鋁合金（ZL108或 ZL109）或過共晶鋁合金（AlSi18CuNiMg或AlSi25CuNiMg等）。后者具有耐 熱、耐磨及膨脹系數小的優(yōu)點，但工藝性較差。 鋁合金活塞毛坯多用金屬模鑄

9、造，強化機型可采用模鍛。成型后一般要進行熱 處理，對于硅鋁合金可加熱到500保溫34h，然后淬入熱水（水溫6080 ），再加熱到200保溫8h，以消除內應力。 活塞常用的材料及熱處理詳見下表。,活塞鋁合金鑄件的化學成分，熱處理，力學性能，金相組織,活塞的質量標準及檢測方法,活塞是發(fā)動機中極為重要的零件，除了要求良好的機械性能及內在質量之外， 還要求尺寸精密、幾何形狀準確，同時也要求要有較好的外觀質量。 我國小型通用汽油機活塞生產廠現(xiàn)在執(zhí)行的技術標準是國家標準GB/T1148內 燃機鋁活塞技術條件標準列有了關于活塞環(huán)的材質、金相組織、機械性能、 尺寸及形位公差、表面處理及外觀質量等，并規(guī)定了相應

10、的檢測方法。 活塞質量等級執(zhí)行機械行業(yè)標準JB/T51050內燃機 鋁活塞質量分等（內部使 用），準規(guī)定了氣缸直徑小于或等于200 mm的往復式內燃機鋁活塞（以下簡 稱鋁活塞）產品質量指標、檢驗方法及抽樣檢查和評定。,活塞環(huán),活塞環(huán)的工作環(huán)境 高速、高溫、高壓、變負荷、潤滑困難 活塞環(huán)按作用分為氣環(huán)和油環(huán)，它有四大功用： 一、保持氣密性 二、控制機油 三、傳熱作用 四、支承作用 活塞環(huán)必須有良好的抗熱疲勞性能和抗磨損性能, 并使徑向壓力均勻地分布在 氣缸壁上?；钊h(huán)還能夠適合當氣缸由于變形而不成正圓時的形狀。 在高速發(fā)動機上, 活塞環(huán)厚度受到慣性力在安全極限內的限制。環(huán)的質量必須 很小, 以保

11、證在壓縮沖程末期氣體產生向下的壓力大于環(huán)質量與加速度均乘積 。根據活塞環(huán)設計理論，維持可接受極限加速度條件如下：,活塞加速度計算如下式： 式中：N轉速，rpm S發(fā)動機沖程，mm r連桿長度和曲柄長之比。,活塞環(huán)的氣密作用,氣缸、活塞、活塞環(huán)、氣門等組成了發(fā)動機燃燒室， 燃燒室必須盡可能的密封氣體，這樣快速燃燒的油氣 混合物才能推動汽缸的活塞向下運動帶動曲軸轉動， 此功能稱為“密封氣體”。 其中第一道環(huán)密封80-90%的氣體;第二道環(huán)密封10 20%的氣體;油環(huán)密封約5%的氣體。,第一道氣環(huán)主要是密封氣體第二 道是密封氣體與調節(jié)油膜厚度,活塞環(huán)的控油作用,油環(huán)刮下機油由漏油孔流入活塞,活塞環(huán)的

12、控油作用:是指避免機油過多進入燃燒室,將機油消耗保持在所需水平,同時降低有害廢氣排放。 其中油環(huán)控制約70-90%的機油,氣環(huán)控制約10-20%的機油。,活塞環(huán)的傳熱作用,活塞環(huán)的傳熱作用:指活塞環(huán)將熱量從高溫的活塞 傳導至冷卻的氣缸壁或發(fā)動機缸體上。 傳熱的途徑:活塞-活塞環(huán)-氣缸-冷卻 介質(缸體)。 傳熱的效率: 70%80%的熱量從活塞環(huán)槽經由活塞環(huán)傳至氣缸壁,.活塞的熱量通過活塞環(huán)傳至汽缸壁,活塞環(huán)的支撐作用,活塞環(huán)的支撐作用:是指避免活塞因曲柄連桿轉 動時，產生的側向力與氣缸壁的撞擊現(xiàn)象，減小 磨損。,活塞環(huán)常用術語,1、環(huán)高,、環(huán)的直徑、徑向厚度,、自由開口 環(huán)高: 環(huán)軸向的高度

13、。 環(huán)的直徑：缸套的名義直徑。 徑向厚度:即直徑方向的厚度。 徑向厚度過大，背隙變小，環(huán)作徑向振動時易與活 塞槽干涉，同時環(huán)體柔性下降，對缸套的順應性降 低；徑向厚度過小，背隙增大，泄漏通道面積增大 ，密封性能降低。 自由開口：活塞環(huán)自由狀態(tài)下開口兩端間的距離。 自由開口過小，其安裝應力大，不利于活塞環(huán)安裝 ；自由開口過大，其工作應力大，不利于活塞環(huán)工 作。,彈力、閉口間隙 彈力: 切向彈力和徑向彈力 活塞環(huán)實現(xiàn)自張并建立密封面的關鍵參數； 活塞環(huán)彈力有徑向和切向彈力兩種，二者互 為關聯(lián)，且一一對應 。 彈力過大易導致摩擦面機油過少，油膜厚度 過小，甚至油膜破裂，導致磨損加劇；另一 方面，彈力

14、過大其摩擦功損耗大，導致整機 功率下降； 彈力過小則密封面不易建立，壓縮氣體、高 溫燃氣易泄漏造成整機功率下降；另一方面 ，彈力過小還會造成機油上竄，導致較高的 機油消耗；,閉口間隙 活塞環(huán)在名義缸徑中兩開口端之間的距離。 在考慮熱膨脹因素基礎上，較小的閉口間 隙有利于密封氣體和降低機油消耗； 閉口間隙過小將導致環(huán)卡死而失去功效； 閉口間隙過大將導致較大的氣體泄漏和機 油消耗。,活塞環(huán)外圓橢圓度 活塞環(huán)的自由狀態(tài)是決定活塞環(huán)密封作用的關鍵因素?；钊h(huán)的自由狀態(tài)外形 分為： 均壓形正圓形、高點環(huán)(梨形、桃形)、低點形(蘋果形)。,活塞環(huán)的結構及形狀,活塞環(huán)的材料,活塞環(huán)的材料要求 由于活塞環(huán)處于

15、高溫高速高壓潤滑困難的嚴酷工況，為了工作的可靠性及耐久 性，對環(huán)材料的要求很高，這些要求是： 、良好的耐磨性和耐蝕性； 、必要的機械強度及熱強度； 、足夠的彈性和彈性保持性； 、良好的加工性。 活塞環(huán)的常用材料 活塞環(huán)各道環(huán)使用的材料、成分、性能詳見下表。,常用各道環(huán)使用材料、成分、性能,活塞環(huán)表面處理,1、鍍鉻 鍍鉻的優(yōu)點: *、硬度高(HV900l000),抗磨料磨損性能好 *、熔點高(l770),改善耐熔著性能 *、導熱性好 *、摩擦系數小 鍍鉻的缺點: 磨合期長 改進措施： 將外圓加工成桶面，縮短磨合期。,鍍鉻層,噴鉬 噴鉬層是多孔組織的貯油結構覆層。 噴鉬的優(yōu)點: *、儲油性好 *、

16、縮短初期磨合期 *、熔點高（2640） *、耐蝕性、氣密性與鍍鉻相近 *、導熱性好 噴鉬的缺點： *、耐磨損能力比鍍鉻環(huán)差 *、附著力較低,鉬層易產生剝落 *、成本較高,磷化 磷化處理是在鑄鐵環(huán)表面生成磷酸鹽薄膜。 磷化層的外觀： 黑色,厚度為0.00l0.003mm。 磷化的優(yōu)點: 具有柔軟、存油等性質,能改善磨合和抗拉缸性 能,有防蝕、防銹作用。 磷化處理所需設備簡單、操作方便、成本低、 效率高。,氧化 氧化處理后活塞環(huán)的表面呈深紅色。 作用與磷化相同，差別就是：磨合時間較長一點。,氮化 氮化處理一般選用的材料: 高鉻不銹鋼 氮化的優(yōu)點: 1、提高表面硬度，降低摩擦系數，增強耐磨性； 2、

17、抗腐蝕性能好，導熱性能優(yōu)良； 3、有一定的抗熔著磨損性能 。 氮化深度定義: 具有硬度等于或大于700HV的硬化區(qū)的深度。 這一區(qū)域可提供穩(wěn)定的耐磨性。,晶相圖,活塞環(huán)主要參數的選擇,1 平均比壓P0 往復慣性、燃氣壓力、油膜力不僅引起活塞環(huán)離開環(huán)槽平面的軸向運動，還引起離 開缸壁的徑向運動。為了避免活塞環(huán)與缸壁脫離產生不規(guī)則運動，發(fā)動機需具有必 要而經濟的潤滑效果，活塞環(huán)應選用合適的平均比壓P0 。 P0 =2Q1 /hD (N/mm2) 式中：Q1活塞環(huán)切向彈力，N h活塞環(huán)外圓面與缸壁的實際接觸高度，mm D活塞環(huán)名義直徑，mm 活塞環(huán)平均比壓P0與缸徑D 的關系詳見下圖： （注：小缸徑

18、高速機的平均比壓P0 應取上限）,2 軸向高度h 發(fā)動機轉速越高，活塞環(huán)的高度越小，主要原因是發(fā)動機高速運轉時難以建立 足夠的背壓，降低環(huán)高h、提高比壓p0有利于提高活塞環(huán)的徑向貼合力及密封 效果。其次，發(fā)動機轉速越高，活塞環(huán)的往復慣性力也越大，活塞環(huán)在環(huán)槽內 的顫振也越劇烈，降低活塞環(huán)高度是減小活塞環(huán)往復慣性力最有效的辦法。為 了實現(xiàn)發(fā)動機在高速、高功率化的同時減小摩擦損失、提高密封性能，越來越 多的發(fā)動機采用薄環(huán)。 3 徑向厚度Q 和自由開口尺寸s,式中：f1安裝應力，kgf/mm2 f2工作應力，kgf/mm2 E彈性模量，kgf/mm2 Q徑向厚度，mm D活塞環(huán)名義直徑，mm s自由

19、開口，mm 4 閉口間隙s0 選擇合適的活塞環(huán)閉口間隙so，此間隙可小到0.15%0.3%的氣缸直徑，使活 塞環(huán)在發(fā)動機運轉受熱伸長時，截斷氣體向下泄漏的通道和潤滑油向上竄的通 道，把油氣隔開，提高發(fā)動機氣缸壓縮壓力，改善發(fā)動機的動力性、經濟性， 同時還明顯降低了潤滑油的消耗與尾氣排放。 5 最小背隙 活塞環(huán)的背隙（即活塞環(huán)內圓面與環(huán)槽間的間隙）與活塞熱膨脹有關，并對 環(huán)的背壓有一定的影響。,為避免活塞環(huán)（尤其是第1環(huán)）在工作中承受過高溫度引起活塞環(huán)結膠，選擇 適當的背隙是非常關鍵的。最小背隙可按下式估算： 氣環(huán)： =KD0.5 （mm） 油環(huán)： =KD1.5 （mm） 式中：D活塞環(huán)名義直徑

20、，mm K常數，K=0.0060.004,活塞環(huán)的質量標準及檢測方法,活塞環(huán)是發(fā)動機中極為重要的零件，除了要求良好的機械性能及內在質量之外 ，還要求尺寸精密、幾何形狀準確，同時也要求要有較好的外觀質量。 我國小型通用汽油機活塞環(huán)生產廠現(xiàn)在執(zhí)行的技術標準是國家標準GB/T1149.1 16內燃機 活塞環(huán)，標準分別列有了關于活塞環(huán)的材質、金相組織、機 械性能、尺寸及形位公差、表面處理及外觀質量等，并規(guī)定了相應的檢測方法 。 活塞環(huán)質量等級執(zhí)行機械行業(yè)標準JB/T51105內燃機 活塞環(huán)產品質量分等（ 內部使用），標準規(guī)定了內燃機活塞環(huán)產品的質量指標、檢驗方法、抽樣檢 查和等級評定規(guī)則。,活塞環(huán)與環(huán)

21、槽的配合,活塞環(huán)的“三隙” （1）端隙1：是活塞環(huán)裝入氣缸后開口處的間隙。一般為0.250.50mm； （2）側隙2：是環(huán)高方向上與環(huán)槽之間的間隙。 第一道環(huán)因溫度高，一般為0.040.10mm；其他氣環(huán)一般為0.030.07mm。油 環(huán)一般側隙較小，一般為0.0250.07mm； （3）背隙3：是活塞環(huán)裝入氣缸后，活塞環(huán)背面與環(huán)槽底部的間隙。一般為 0.40.7mm。,氣缸活塞活塞環(huán)摩擦磨損,氣缸活塞一活塞環(huán)是發(fā)動機的重要摩擦副， 由于該摩擦副的工作條件苛刻，表面接觸不均 等原因嚴重影響到發(fā)動機的質量。 磨損不是一個簡單的力學過程，而是物理、力 學和化學過程極為復雜的綜合。按照磨損破壞 機理

22、可分為 粘著磨損； 磨粒磨損； 表 面疲勞磨損 腐蝕磨損。 氣缸活塞活塞環(huán)摩擦磨損主要為：粘著磨 損和磨粒磨損。 粘著磨損是一種嚴重的磨損方式，是相對運動 的物體接觸表面發(fā)生了固相粘著，使材料從一 個表面轉移到另一表面的現(xiàn)象。 磨粒磨損也稱為磨料磨損或研磨磨損，它是當 磨擦偶件一方的硬度比另一方硬度大得多時， 或者在接觸面之間存在著硬質粒子時，所產生 的一種磨損。,氣缸的磨損與非正常磨損的原因分析,1磨料磨損：由于吸入的空氣中混有塵埃，機油中 有積炭、金屬磨屑等外來堅硬雜質，形成磨料，附 著于氣缸鏡面，引起氣缸的磨損拉缸。 例如： 1、活塞裝入缸體前的沾油工序中，其沾油器具中存 有金屬削、硬質顆粒等，隨著裝入缸體內部。 2、活塞組裝入缸體工作臺面存有金屬削、硬質顆粒 ，裝配過程中被帶入缸體內部。 上述原因均是造成氣缸活塞活塞環(huán)磨料磨損的 重要原因。 因此裝配器具、環(huán)境的清潔度對于杜絕氣缸活塞 活塞環(huán)磨料磨損拉缸至關重要。,沾油器具有金屬削、硬質顆粒等,金屬削、硬質顆粒等,2、對于二沖程發(fā)動機，由于活塞環(huán)的面壓偏 大，活塞環(huán)運行到氣口最寬處時，活塞環(huán)變 形過大，使其伸入氣口，與氣口壁產生