活塞环设计.doc

汽车活塞环设计
1.环的名称及标记
通常有机型、规格、种类（环的剖面形状）基本直径、环高、表面处理等。
1.1环各部分的名称，参见图1、图2

图1自由状态的名称图2闭合状态的名称
（1）基本直径d1
在ISO规格中d1从30～200每隔1-2mm为一挡。
(2)环高h1
高转速内燃机需求环惯性力小薄环得到了使用。
（3）径向厚度a1
a1的大小很大程度上影响了环的安装和工作应力，各种材料的面压为0.15-0.20Mpa，材料E值及d1/a1参见表1
表1材料的弹性模量与d1/a1
弹性模量E（Gpa）d1/a1非热处理灰铸铁9521-25热处理灰铸铁11521-27球墨铸铁16022-30钢20026-32（4）闭口间隙S1
S1为环放置于内圆为d1的校圆圈中的开口端距离，内燃机运转时，环材料因膨胀使得S1减小（不能低头）。
（5）自由开口m
计算时采用有效自由尺寸m-s1,m用于弹力的调整，m与d1的关系；
低合金铸铁m/d1=13%～14%，球铁为8%～10%。
1.2环的间隙
（1）侧隙

环的断面、环槽高度部分名称参见图3；汽油机柴油机环的一般侧隙范围参见表2
（2）径向间隙
工作状态时环槽底径与环内圆面的距离为径向间隙。内燃机工作时由于活塞的热膨胀，留有间隙是必需的。
（3）扭曲
一般采用～14.5rad（10′～50′）

式中λ扭曲角（rad）m自由开口mm
d1基本直径mm
Ix活塞环由于切槽、倒角等减弱的断面对其中性轴的惯性力矩mm
β离环背的角度
扭曲环设计参见下图

图4扭曲环设计
2.环的形状
环的形状按剖面、外圆面形状、棱边形状、镀层、开口形状分为5类。
2.1剖面形状
（1）矩形环
（2）梯形环
梯形环能防止环的黏附
（3）楔形环
（4）外切扭曲环
（5）鼻形环
（6）开槽油环
（7）异向到角油环
（8）同向倒角油环
（9）钢带组合油环

2.2外圆形状图5中断的鼻形
表4外圆形状
基本外圆面形状见表4
（1）柱面
（2）桶面
桶面环外圆面呈圆弧形，中央部位凸起，成为润滑面的理想形状。矩形环油膜压力分布见图4.6，桶面环油膜压力分布图见7
由图可见桶面环的油由滑动方向的进口间隙大，桶面的Pmax大于柱面的Pg最大值，油膜分布及润滑良好，能控制油耗，没有矩形环的棱边负荷，不会刮缸，不易造成油膜中断，桶面环与缸壁呈线接触，易磨合，气密封效果好。广泛用于汽油机，柴油机环设计。（该段很少部分为译者补加说明）
（3）锥面
外圆面为带锥度的工作面与缸套壁接触面积小，接触比压大，有利于缩短磨合期。锥面有辅助刮油作用，有利于油膜形成，油耗低。
2.3棱边形状
棱边形状参见表5
（1）上侧面内倒角（正扭曲）
环上侧面内圆棱边切槽倒角的环叫内切扭曲环，环下侧面外圆棱边切槽倒角的环叫外切扭曲环。环切去部分使环扭曲成蝶形，外圆面与锥面环锥面一样起到锥面环的作用。
图8为内切扭曲环的扭曲作用图。图4.9为内切扭曲环在爆发行程时的状态，由图看出内切扭曲环的气密封性能良好。

图8内倒角的扭曲作用图9内倒角在爆发行程时的状态图10桶面反扭曲作用
（2）上侧面内切台（正扭曲）
在环上侧面内圆切台形成正扭曲环，其用途与上侧面倒角的一样。
（3）下侧面内倒角（反扭曲）
内倒角位于下侧面为反扭曲（碟形与正扭曲的反向）。桶面环下侧面内倒角的反扭曲作用参见图4.10。在吸气行程中，环的上内棱边与活塞的环槽的上面，环的下外棱边与活塞的环槽的下面，接触良好，防止了向上窜油，有效的降低了油耗。
（4）下侧面内切台（反扭曲）
内切台位于环的下侧面，其用途与下侧面内倒角的反扭曲环相同。
（5）倒角
矩形环在活塞上升下降行程转变时，由于活塞头部的摆动，使环的内切外棱边与缸壁接触，易造成刮伤；矩形环在环安装时，环的内棱边容易碰伤活塞表面或活塞槽底圆角半径，因此环设置了倒角参见表4.5内圆倒角，外圆倒角，内外倒角（此段译文将原文的文字上稍有改动，意思没有改动）
2.4镀层形状
镀层形状参见表6
表6镀层形状

（1）外圆面全部
（2）镶嵌
(3)半镶嵌

2.5开口端形状
（1）开口形状
汽车用环开口形状一般为直切口，近来为轻量化，减低摩擦损失，构成二环组的采用斜切口，采用斜阶梯切口；见图11（参见图14三环组的第二道环）。
（2）定位切口
在二冲程汽油机中，如果活塞环在进排气孔上滑动，会造成环开口端触及气孔，为避免发生此事，环开口位置应设有防止环自由转动的装置，一般定位切口环的环高h1在1.2㎜以上。
图11斜阶梯切口（交叉组合）
3.典型环组配置

图12汽油机环的典型配置图13低润滑油耗环的配置图14低磨损环的配置
内燃机活塞环向高压缩比，