内燃机构造与设计--10活塞组件.ppt

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1、内燃机构造与设计内燃机构造与设计 10 活 塞 组 件 10 活塞组件 10.1 概述 1.活塞组件组成：包括活塞、活塞销、活 塞环、卡环 2.运动方式：作上下变速往复运动 3.作用：与气缸组成封闭的燃烧室，保证 发动机工质的可靠密封 4.工作特点：工作温度高，机械负荷大， 高速滑动，润滑不良，磨损严重等，影响 发动机的工作可靠性与使用耐久性。 5.活塞组件设计的目的：提高活塞组零件 的工作可靠性和耐久性。 10 活塞组件 10.1 概述 6.活塞组件的工作条件 机械负荷：气体作用力、往复惯性力、 侧压力 热负荷：高温燃气 磨损：润滑不良，高速滑动 7.活塞组件主要设计要求 足够的强度和刚度

2、质量小 温度水平低 气缸密封良好 良好的润滑油膜 减小配缸间隙 较高的耐磨性和抗拉毛性 考虑传力、传热、导向、密封、轻重和 减摩耐磨六个方面。 10 活塞组件 10.1 概述 柴油机的活塞热负荷比汽油机的活塞热负荷高，原因： 对流换热强，工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流 脉动。 热辐射大，柴油机中不均匀混合气燃烧形成碳粒，使其火焰的热辐射能 力大大超过汽油机。 柴油机中燃料喷射不均匀，使温度分布不均匀，因燃油喷射、雾化都在 燃烧室内。 通常柴油机中的活塞上都有凹坑，使受热面积增大，热负荷增加。 10 活塞组件 10.2 活塞的结构型式与材料 10.2.1结构型式及主要尺寸比例

3、 结构型式 整体铸造的铝合金活塞（柴油机活塞） 汽车发动机常用 10 活塞组件 10.2 活塞的结构型式与材料 整体锻造的铝合金活塞（汽油机活塞） 汽车发动机常用 整体铸铁活塞某些二冲程车用发 动机 10 活塞组件 10.2 活塞的结构型式与材料 钢顶铝裙的组合活塞高强化发动 机 活节活塞高强化发动机 10 活塞组件 10.2 活塞的结构型式与材料 主要尺寸符号 总高度H 压缩高度H1 裙部高度H3 顶板厚度 火力岸高度h 第一道环岸高度c1 活塞销偏置距e 活塞销直径d1 销座间距B 活塞销中心线以下的裙部高度H2 10 活塞组件 10.2 活塞的结构型式与材料 符号见表 10 活塞组件 1

4、0.2 活塞的结构型式与材料 10.2.2活塞的材料 对活塞材料的要求： 热强度高，在高温下有足够的机械性能 导热性好，吸热性差 膨胀系数小 比重小 良好的减摩性能，耐磨，耐蚀 工艺性好，价廉 活塞的材料： 铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁 特点：耐热性、耐蚀性好，膨胀系数小，热 强度高，成本低，工艺性好，比重大，导热 性差 应用：大型中、低速柴油机，高增压柴油机 ，热负荷较高的二冲程柴油机。 耐热钢 强度高，用作组合活塞的顶部，用于强化的 柴油机中。 10 活塞组件 10.2 活塞的结构型式与材料 铝合金：铝铜合金、共晶铝硅合金 、过共晶铝硅合金 特点：比重小，惯性小，导热性好，温 度场均匀

5、，热应力小，高温时强度、硬 度下降较快，使结构设计复杂，成本高 。 无论是铸造铝合金活塞还是锻造 铝合金活塞，在成形之后都必须进 行热处理，以提高其强度并保证其 尺寸的稳定性。常用的热处理工艺 是淬火加人工时效。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10.3.1 活塞的传热结构 当活塞无油冷时，由燃气传入活塞的热量大部分经活塞环传给缸 筒再传给冷却水或空气，小部分经裙部传给缸筒，经活塞内 壁面传给曲轴箱油雾。 活塞传热结构的设计目标，一是要降低活塞的热负荷程度，即降 低其最高温度和各处温差，二是要提高其热负荷承受能力。 降低活塞的热负荷采取的结构措施有： 1、尽可能减少顶部受热

6、表面并避免凸起和尖角，从这个角度看来柴油 机的直喷燃烧室不宜有缩囗。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 2、将顶板和环区厚度加大并采用大 过渡圆角，以减少由顶面向环区 传热的热阻，这种热流型设计可 降低活塞顶部的温度和热应力。 3、选取适当的火力岸高度，使第一 道环的上止点位置不高于缸体水 套的上缘。 4、裙部和活塞销座部分应有足够刚 度，保证各环槽侧面不变形扭曲 ，使活塞环能紧贴环槽侧面，这 即是封气封油所需要的，也是传 热所需要的。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 图10-11活塞顶部壁厚及形状对顶部温度的影响 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构

7、与导向结构 5、对热负荷很大的柴油机可采取油冷措施来降低活塞的热负荷，最简单的 油冷措施是向活塞内壁喷油冷却，可以经连杆中的油道从连杆小头顶端 的油孔喷油（为此连杆轴瓦中间要开一道油槽）。也可通过固定在机体 上的喷嘴喷油，也可以在活塞顶部设环形油腔，强制送油冷却。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 6、为了提高活塞承受热负荷的能力,有些铝合金活塞顶面采用硬质阳极氧化 处理，形成厚0.075-0.1mm的硬质层。这种氧化层的热强度高，有助于 防止顶部热裂。有些直喷式柴油机的活塞在燃烧室缩口处铸入铸铁护圈 ，以提高该局部的热强度。这种护圈通常 采用膨胀系数与铝合金接近的高镍奥氏体

8、铸 铁。此外，有的铝合金活塞采用整个活塞顶 和环区镶入铬钼钢薄层的结构，有的顶面喷 涂陶瓷，有的铸入陶瓷燃烧室镶块。这些措 施的共同特点是可以减少通过活塞的热流量， 从而降低铝合金本体的温度水平和各处温差。 至于高强化发动机用的铸铁活塞和以铸铁 (或耐磨钢)为顶部的组合活塞或活节活塞， 由于铸铁导热率低，必须油冷。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10.3.2 活塞的导向结构 活塞的导向作用靠裙部来完成。 一个好的导向设计应能使活塞配缸间隙小，而且在发动机变工况 范围内配缸间隙的变化也要小，这样才能最大限度地减轻活 塞对缸

9、壁的撞击。另一方面，导向面又是摩擦面，应该既减 摩又耐磨。配缸间隙取多大，要以不发生拉毛为限。因此， 要想减少配缸间隙至少需要两个条件: 1、发动机工作状态，裙部形状应接近于圆柱形; 2、裙部的热膨胀量要小。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10.3.2.1 裙部形状分析 为使裙部形状在工作状态接近于圆柱形,就要考虑裙部在工作状态的变 形情况，反过来决定活塞裙部的冷态形状。 活塞裙部工作变形的总趋势是沿活塞销孔方向伸长，其原因是： 在侧向力的作用下有将裙部压扁而在销孔方向伸长的趋势， 在燃气压力作用下活塞顶产生的弯曲变形，也使裙部在销座方向上有向 外扩长的趋势， 活塞头部温

10、度较高，要向四周膨胀，而销座部分与头部的连接刚度远大 于裙部其它部位与头部的连接刚度，因此头部带着销座一起产生较大的 膨胀，这也使沿销孔方向的伸长大于与其垂直的方向。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 上述三种原因引起的销孔方向的伸长是一致的，而且均随着发动机负荷的加 大而加大。因此，活塞裙部横截面的冷态形状应该设计成一个椭圆形， 椭圆的长轴在垂直于销孔的方向，短轴在销孔方向，其椭圆度(椭圆长轴 与短轴之差)的大小应能使活塞裙部横截面在发动机满负荷工作下变成圆 形。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 活塞工作温度沿活塞轴线方 向变化较大，火力岸上 端温度最高

11、，裙部下端 温度最低，火力岸上端 的直径膨胀量最大，而 裙部下端的直径膨胀量 最小。因此，为了使额 定功率工况的活塞形状 近似于圆柱形，就必需 使冷机时火力岸的直径 最小，同时裙部上端的 直径也应小于其下端。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 常用的活塞裙部母线为图(d)，活塞裙部叫椭圆桶形或椭圆腰鼓形。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 曲线1表示活塞母线的冷态形状 ，曲线1至横坐标轴的距离 就是活塞与缸筒的冷态半径 间隙。曲线2至横坐标轴的 距离就是活塞的半径热膨胀 量。由曲线1减去曲线2而得 出的曲线3就是活塞母线的 热形状。曲线4表示气缸孔 母线的热

12、态位置，它与横坐 标轴之间的距离就是气缸孔 的半径伸缩量，因此，曲线 3和4之间的距离就表示活塞 和缸筒的热态半径间隙。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 设计时使裙部中段70%左右的热态形状接 近于圆柱形，同时与气缸孔的热态间 隙合适，而两端略向内缩。裙部两端 内缩是为了活塞向上或向下运动时均 能形成承载油膜，减轻摩擦与磨损， 同时由于这种活塞裙部与气缸孔的间 隙小而两头内缩，减轻了活塞对缸壁 的撞击。 活塞裙部热态的径向变形沿裙高也不一样 ，裙部的椭圆度原则上也应沿裙部高 度有所变化。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 活塞各部位与气缸 孔之间的间隙 是

13、不同的，一 般把气缸直径 与活塞裙部直 径最大尺寸( 在垂直于活塞 销轴线方向的 裙部中间或下 端附近)之差 称为“配缸间 隙”或“名义装 配间隙”。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10.3.2.2 裙部膨胀量的控制 发动机工况不同时活塞的热状态不同，按额定功率工况确定的活塞配 缸间隙到了低速低负荷工况就变大了。为了减小噪声和保持良好 密封，宜使裙部膨胀量随工况的变化尽可能小些，也就是说要使 裙部的形状随温度的变化尽可能小些。为此，最常用的办法是在 活塞中铸入钢片。 常用的结构有以下三种： 镶恒范钢片的活塞图10-23(a) 这种活塞是把两片或四片低膨胀钢片（含镍的低碳钢

14、）垂直于销孔铸入 活塞销座中。这种活塞的配缸间隙小，工作平稳，但成本高，用于小轿 车汽油机。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 自动调节活塞图 10-23(b)，这种 活塞把低碳钢片镶 在铝合金的内侧， 利用双金属效应产 生的弯曲来减小垂 直于销孔方向上的 膨胀量。这种弯曲 随温度的提高而增 大，故称为自动调 节活塞。这种活塞 也可减小配缸间隙 ，成本低，用于部 分汽油机。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 镶筒形钢片活塞在浇铸活塞时能使钢筒内产生压缩应力，铝外壳中产 生拉伸应力，即铝合金外壳的实际收缩量远小于其自由收缩量，而裙部 内壳在浇铸后的冷却过程中能

15、够自由地向内收缩，使铝内壳外壁与钢筒 内壁之间形成收缩缝隙。当发动机工作时，在不同的活塞温度水平下， 将不同程度地减 小收缩缝隙和外 壳与钢筒中的残 余应力，所以活 塞的热膨胀量远 小于铝合金的自 由膨胀量。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 在一些老式汽油机或负荷不 高的汽油机中，活塞裙部开 有纵向切槽，并与油环槽底 的横向切槽相连成T字形或 字形。其中横向切槽起隔热 作用，可减少传到裙部的热 量以降低裙部温度和热膨胀 量，并兼作泄油通路。纵向 切槽则起弹性补偿作用，可 在冷态间隙较小的情况下减 少高负荷工况拉缸的危险性 。但横槽不利于降低环区的 热负荷，T形或形槽削弱了

16、裙部的刚度和强度。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10.3.2.2 活塞的拉毛及其预防 当活塞和缸壁之间有小片金属接触时，由于摩擦产生的高温使小片金 属熔接，而相对运动又将熔接处剪断，结果摩擦面就会变得粗糙 并出现拉痕这就是活塞的拉毛。 产生拉毛的可能原因当活塞环密封失效引起漏气增多，活塞过热， 油膜破坏时就会拉毛;活塞裙部设计不当也会拉毛。实际上通过观 察裙部拉毛的位置可以分析并纠正裙部设计不当之处。如椭圆度 过大或配缸间隙过小，都会在活塞相应位置表面产生拉毛面。 10 活塞组件 10.3 活塞的传热结构与导向结构 在发动机磨合阶段缸壁表面和裙部表面会有较多的局部金属接

17、触，因 此即使裙部设计正确磨合初期也可能拉毛。为减少磨合初期拉毛 的可能性，通常对裙部进行表面处理。最简单的办法是在裙部表 面镀一层锡。由于锡层较软和对铸铁缸筒的摩擦系数较小，在活 塞和缸壁的各局部金属接触点上锡首先熔化而在活塞与缸筒之间 起着某种润滑作用，同时填充表面微观不平处，减少了局部接触 载荷和摩擦力，改善了磨合。裙部镀铅也有类似效果，只是铅的 熔点略高于锡，宜用于热负荷高的活塞。近年来有些厂家在活塞 裙部喷涂石墨或二硫化钼，这二者都是较好的固体润滑剂，因而 也能改善磨合，减少拉毛可能性和降低摩擦系数。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 10.4.1 活塞销的刚度和尺寸

18、 10.4.1.1活塞销刚度的重要性和尺寸选择 加在活塞上的气体作用力Pg和活塞的惯性力Pjh都要通过活塞销座传给 活塞销，再由活塞销传给连杆。因此活塞销以及由活塞顶连到活 塞销座的活塞传力结构中都产生交变应力和变形。 设计要求:1、活塞销和销座部分有足够强度，不发生疲劳断裂; 2、销座和销的轴承条件比压不超过轴承材料的容许限度; 3、销座部分的变形不能导致环槽侧面的变形扭曲，以免影 响环的密封和传热功能。 要满足这些要求，关键在于活塞销的刚度要好。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 正值向下的（Pg+Pjh）作用在活塞组件上时，活塞销产生如图所示的弯曲变形， 使销座跟着变形，

19、至使销座受到的支反力P成为不均匀的力。当活塞销刚度小 而弯曲变形较大时，在销座孔内侧上边缘处将产生很大的尖峰载荷，引起很 大的应力集中而可能产生向上扩展的疲劳裂纹。反之，负值向上的（Pg+Pjh） 作用在活塞组件上时， 活塞销产生两端上翘的弯曲变形， 相应的在销座孔内侧下边缘处将产生 很大的尖峰载荷，严重时会产生由销 座向下扩展的疲劳裂纹。活塞销的失 圆变形也会使活塞销孔产生很大的应 力。 通常按照活塞销弯曲变形和失圆变形 的要求来选择活塞销的直径。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 活塞销的刚度主要取决于外径， 为减轻重量，通

20、常把活塞销 做成中空的。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 活塞销的长度可取为 汽油机活塞裙部在销座孔周 围内凹，其活塞销长度 相应较短。 活塞销的总承压面积为 d1(l-3) 注：考虑到连杆小头的宽度 bA应比活塞的销座孔开 档距离B短（2-4）mm 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 考虑销座孔不设衬套而小头孔加衬套，则活塞销比较合理的承压面积分配比 例大致为 bH0.603(l-3)，bA0.397(l-3)，B=l-bH。 以上初步选择了d1、d2、l、bH、bA之后，要进一步校核活塞销的弯曲变形和 失圆变形，销座孔和连杆小头最大条件比压，以及活塞销的应力

21、，并根 据计算结果进行必要的调整。 10.4.1.2 活塞销的计算 活塞销的两种受力状况 压缩上止点后10左右，缸内气体压强达到了最大值Pz，活塞加速度接近 于r2(1+)，可以近似认为此时活塞销两端和中段的载荷各为： 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 进、排气上止点时，缸内气压力与曲轴箱内气压力之差很小，可以近似 认为： 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 由于第一种情况下PHmaxPAmax，第二种情况下PAmaxPHmax ，所以图 示的简化受力模型是偏于安全的。 由此受力模型得出活塞销的弯曲变形f和失圆变形各为d： E是活塞销材料弹 性模数，Jx是活塞 销

22、横截面对x-x的 惯性矩。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 由上述公式可见，活塞销尺寸变化对f和d的影响是不一样的。在外 径不变的情况下减小内径，即增加壁厚，d大幅度下降而f也明显 减小;增大外径而保持壁厚不变，则f减小而d增大;加大外径同 时增加壁厚则f和d都减小。 销座孔和连杆小头衬套的条件比压各为： 如比压大于许用比压，可在销座孔内镶入青铜衬套。 二冲程发动机不存在负向的PH和PA，负荷强化程度高的四冲程发动机 ，其正向的PH和PA数值也比负向的PH和PA大得多。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 对于这些发动机，有时采用斜切的或阶梯形的销座，配以楔形或

23、阶梯 形连杆小头，以增加销座孔和连杆小头孔的承压面积。 一般说来，满足了刚 度要求和条件比压要 求的活塞销不存在强 度问题。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 10.4.2 活塞的传力结构 为了尽可能直接地将活塞顶上的气压力传至活塞销座部分而减轻对环区形成弯矩的 作用，在活塞顶板和活塞销座之间均有加强筋相连。 最常见的是双筋结构在销座正上方形成一个凹穴，使销座具有一定的弹性，以 适应活塞销的变形， 而减小销座内边缘的 尖峰载荷。铸造铝合 金活塞一般都采用这 种结构。在销座及加 强筋与活塞的裙部、 环部和顶板之间都要 有较大的圆弧过渡以 减少应力集中。 10 活塞组件 10.4

24、活塞的传力结构与活塞销 锻造铝合金活塞只能采用整块加强筋 ，其刚度较大。有些强化柴油机 的铸造活塞也用这种结构。为减 轻其边缘载荷，由销座孔边缘最 高点至顶板应有一定的“弹性长度 ”s。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 由于活塞高度的减小使弹性长度不能满足要求时，可以采用将销 座孔内边缘适当倒角的办法来降低边缘载荷。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 销座的外圆直径通常取为(1.4-1.6)d1，有些强化柴油机的活塞销座 呈不等厚的环状，其外圆中心线向活塞顶部偏大约1mm，以加强受 力较大的销座上半部。 四冲程发动机活塞销座下方通常钻有1-2个油孔。由于活塞销

25、在一个工 作循环中多次反复受正向和负向的PH作用，使它在销座孔内不断上 下变位，所产 生的泵吸作用 足以把机油吸 进销座，保证 销座和活塞销 之间的润滑。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 二冲程发动机的活塞销总是紧靠销座的上半部，没有泵油作用， 需对销座强制供油润滑。 高速车用发动机活塞销孔的中心线通常不与活塞中心线相交，而 是向主推力面方向 偏置0.5-2.0mm 负偏置。这种负偏 置可使活塞在改换 推力面时先斜后摆， 减轻了对缸筒的撞 击。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 10.4.3 活塞销的结构与材料 10.4.3.1 活塞销与销座的配合及轴向定位

26、活塞销与销孔的精确配合，由于材料及热膨胀系数不同，在工作温度 下两者的配合将变松。因此二者在冷态装配时只能有很小的间隙 ，或者没有间隙而有少量过盈。 控制冷态间隙和过盈量的方法：采用分组选配。过盈配合要在装配时 将活塞放入热水中加热。 根据活塞销与连杆小头的配合，将活塞销分为： 全浮式工作状态销与销孔、小头衬套孔之间都有间隙。销两端用卡环 定位，销与卡环之间有轴向间隙。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 半浮式销与连杆之间过盈配合或用螺钉夹紧，销与销孔冷态为间隙配 合。优点是省掉衬套、卡环，小头宽度可减小，使销座承载长度增大， 降低销座比压，销弯曲刚度大，活塞变形小，噪音低，零

27、件少，工艺性 好，事故少，但加工精度要求高，拆装不方便，销孔的润滑要强制，开 设油孔。 10.4.3.2活塞销材料及热处理 对活塞销材料的要求：芯部具有韧性以抗冲击，工作表面硬而耐磨， 以承受很大的交变冲击载荷、润滑困难的情况。 材料：低碳钢或低碳低合金钢。 热处理：外表面渗碳淬火，硬度HRC58-65，渗碳深度0.5-1.2mm。 10 活塞组件 10.4 活塞的传力结构与活塞销 经疲劳试验证实：当活塞销内、外表面同时 渗碳淬火时，强度可提高15%-20%。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 活塞环的作用 气环的主要作用气环与活塞配合一起密封气缸工作腔，在实现 密封的条件下，

28、环的另一作用是将活塞头部的热量导出。 油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并将多余的 机油从缸壁上刮下来以减少机油上窜量。 10.5.1 气环及活塞头部环槽、环岸的设计 10.5.1.1 气体密封机理 防止缸内气体泄漏的根本办法是尽可能地减小漏气通路加大漏气阻力 。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 一要靠活塞环(气环)的环周面与缸壁紧密贴合形成 所谓第一密封面，二要靠气环的一个侧面与环 槽的一个侧面紧密贴合形成所谓第二密封面。 气环的自身 弹力对缸壁 形成一定的 径向压力p0 是保证形成 第一密封面 的首要条件。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 环系

29、中气压力的降低 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 在一个工作循环中活塞环在环槽中总会有上下游动，有时处于中间悬 浮状态。这 是由于作用 在活塞环上 的气压力Pg， 摩擦力Pf以 及环的惯性 力Pj的大小 和方向都在 变化所致。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 环的上下游动会使漏气量增大，而环还 会因缸壁磨损和变形而产生径向弹缩， 这也会使环与缸壁贴合失密，尤其是当 径向弹缩的频率与环的固有频率一致时 ，漏气将显著增多，环也可能折断。将 环的游动和弹缩统称为颤振。 减少环的颤振的有效措施主要是 增大环的径向厚度t，以加大径向弹力p0， 以提高环的固有频率; 减小

30、环的轴向高度b，以减小环的惯性力。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10.5.1.2 气环的结构形式 气环的断面形状：矩形环、扭 曲环、锥面环、桶面环、 梯形环。 正扭曲环：上内切槽或下外切 槽。 反扭曲环：上外切槽或下内切 槽。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 由表中可看出 对于现代高速高负荷发动机，第一道气环广泛采用各种型式的桶面环。 桶面环的优点是：良好的润滑性能（向上、向下运动都能形成油膜），使磨 损减

31、小，桶面能适应活塞的摆动，避免棱缘负荷，并且与缸壁的接触面 积小，有良好的磨合性和密封性能。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 桶面环分对称和非对称。现代柴油机的第一道气环越来越多地采用非对称桶 面环，优点是改善了磨合性、密封性，降低机油消耗量。 锥面环、内切正扭曲环和反扭曲环主要用于第二、三道气环，以协助控 制机油消耗量。不可装反。 图示的外下切正扭曲环不用，因为气密性差。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 环的开口有直切、斜切、搭接切口。现代活塞环都用直切口。 活塞环在环槽中的定位 四冲程发动机，环的周向转动对防止环的偏磨损和卡死是有利的，所以环不 周向定位

32、。装配时环的开口位置错开。二冲程发动机，因缸筒上开有进 排气口，避免环卡住折断，环须周向定位。用嵌入活塞的销子定位。 10.5.1.3 气环数及气环尺寸 参数的选择 环数 保证密封，环数宜少，可减少摩 擦损失，降低压缩高度，降低整 机高度。现代汽车发动机缸径在 120mm以下大多用两道气环，一 道油环。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 气环的尺寸参数 环的径向厚度t、轴向高度b、环的自由状态开口端距S0 b:减小有利于缩短活塞，减少环的颤振和减少粘着磨损，但b值过小又会使 抗磨粒磨损差和稳定性差，容易歪扭。 t：(D/t)影响环对缸壁的平均径向压力P0和环的应力。 S0：影响

33、环在工作状态的最大应力与环在装配时的最大应力的比例是否合理 。 平均径向压力 E环材料的弹性模量，Sw环装入气缸后的开口间隙，环断面形状系 数。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 工作时最大拉应力（外侧）： 装配时最大拉应力（内侧）： 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 当材料E、D/t一定时，s0对这两应力之和无影响，但对二者的分配比 例有影响。max下降max上升。 结论：使p0增加，必须使D/t下降或s0增加，但是D/t下降，会使 (max+max)增加，而s0增加，会使max增加，这些影响环的工作 可靠性。反之，使max下降，(max+max)下降，必须使

34、D/t增加 s0下降，导致p0下降。有矛盾，必须统筹兼顾。而E增加，使p0增 加，max增加，max增加。 根据标准选用活塞环，max就不会超过许用值。 10.5.1.4 活塞环的径向压力分布及检验 汽车发动机活塞环，根据径向压力分布分为两种：均压环、高点环。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 1、均压环径向压力沿圆周均布，环周各点在自由状态下的曲率半径是 不等的。/r1，开口处(=180)=r。 图10-55，如环产生均匀径向磨损，则在开口两侧r，此处就会漏光 漏气，这是均压环的主要缺点。优点是工艺简单，可用离心铸造的筒形 毛坯加工出正圆环，然后将切口撑开进行热定形。 10

35、活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 2、高点环径向压力沿环周分布不均，开口处径向压力p高。 p:p0=3:1。优点是耐磨性、密封性较好，具有较高的抗颤振能力 。 3、径向压力的检验（均压环）生产中使用的，用厚度不大于 0.12mm的光滑薄钢带箍紧活塞环外圆，施加切向力P1使开口收拢 为sw，测量直径D1、D2，（D1-D2）(0.004-0.008)D，则 也可利用图10-57，施加P2， 直径为D，则 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10.5.1.5 活塞头部气环区的设计 气环区尺寸：环岸高度c、环槽高度b、 深度t 火力岸高度c0由第一环位置决定由 缸体水套高度确

36、定。 C:c1c2， c1c3 第一环岸承受 较大气压力。 火力岸表面具有 螺旋状沟槽，表面 有一定退让性，利 于磨合，防止卡死。 用于柴油机。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 环槽高度与环高：名义尺寸相同，但公差不同，配合间隙0.04- 0.07mm。 环的背面与环槽：考虑环的活动性，槽底小圆角，径向最小间隙大于 0.6mm。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10.5.2 油环及活塞上的泄油通道 油环作用：把飞溅到气缸壁上的润滑油刮下来，使之回到油底壳，同时使润滑 油均匀地分布在缸壁上。现代汽车发动机一般用一道油环。 油环应有一至两道刮油锐边，足够的泄油通

37、道。 泄油通道：双层鼻形环只需一排泄油孔，其它形式的油环须两排孔。 设计原则：因油环没有背 压，所以设计时要有足够 的弹力和较小的外圆表面 以提高径向比压p0。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 油环的种类 普通单体油环：p0小，刮油 能力、耐久性较差，现代汽 车发动机已不用。 加波形板式衬簧的油环 p0可提高一些，用于一些小 型汽油机。 带螺旋衬簧的油环 p0可进一步提高，刮油能力 较强，车用柴油机、一部分 汽油机用。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 单体油环由于正常的轴向移动或颤振而处于油环槽中间时（因有间隙）少量润滑油 就可以通过侧隙上串，这是它的缺点。

38、高速时影响较大，所以现代高速汽油机 多改用钢片组合式油环。 钢片组合式油环 上、下两刮片，由厚度0.6-0.7mm的带钢制成，表面镀铬。 优点：1、接触压力高，分布均匀。与缸壁接触面积非常小。 2、钢片具有柔性，上、下刮油片能单 独动作或同时作不同的径向动作，所以 它对失圆的气缸和活塞的变形、摆动适 应性好，同时衬簧将两刮片在轴向撑开， 与油环槽两侧面贴合，能有效地防止润 滑油上窜。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 3、回油通路大，可减少机油消耗。 4、重量轻，使环槽磨损减轻。 缺点：成本高，刮片与气缸接触表面磨损大，必须镀铬，以提高滑动性能。 在高速汽油机中普遍应用。 10

39、.5.3活塞环和气缸的磨损及材料 10.5.3.1 活塞环和气缸的磨损 活塞和活塞环与气缸套的摩擦损失在发动机全部机械损失中所占的比 例最大，其中环与缸套的摩擦损失是主要的，而气缸套的磨损又 是决定发动机大修期的主要因素。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 1、气缸的磨损情况 如果气缸镜面覆盖一层油膜，气缸与活塞环、活塞裙是全液体润滑，而且机 油也很清洁，没有杂质，则气缸不会磨损，但实际很难达到这种理想情 况，相对运动表面可能直接接触发生磨损，机油有机械杂质而磨损等。 分析磨损情况，有三种类型： 磨料磨损由于吸入空气中混有尘埃，机油中有积炭、金属磨屑等外来坚 硬杂质，形成磨料，

40、吸附在气缸镜面上，引起了气缸的磨损，造成平行于 气缸轴线方向的拉痕以至粗大的拉伤，俗称“拉缸”。 腐蚀磨损当冷却水温度较低及低温起动频繁时，燃烧生成物中的酸性物 和水蒸气极易凝结在气缸表面上，如润滑不良则酸性物与娶缸镜面金属直 接接触，就会对气缸进行腐蚀，表面较疏松细小的洞穴，在摩擦作用下产 生金属脱落。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 熔着磨损当气缸与活塞在润滑不良时进行相对运动，就可出现二者金属 直接接触，摩擦形成局部高热，使之熔触粘着、脱落，逐步扩大即产生熔 着磨损。如油膜很快恢复，则小面积脱落，不会扩展，而油膜恢复迟缓， 熔着扩展导致更大面积的损伤，包括气缸、活塞、活

41、塞环，气缸内表面带 有不均匀不规则边缘的沟痕和皱褶。也称为“拉缸”。 气缸磨损在第一道环上止点位置处最大，因为此处环背气压最大，零件温度 最高，润滑状态最差所致。如活塞环与气缸材料选择不当，也会使气缸 各部分磨损加剧。 2、活塞环的磨损 在气缸磨损的同时活塞环也会磨损，以第一道环为最严重，随着环的磨损其 弹力逐渐减弱，最终会失效。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 3、减缓气缸和活塞环的磨损，延长它们的使用寿命，采取的措施： 外部结构 在冷却设计上使缸壁保持较高和较均匀的温度，减少酸的形成。 在气缸体设计上尽可能减小气缸的变形。 确定空气、机油、燃料三者的有效滤清。 保证适当的

42、润滑，油过多燃烧积炭结胶，不足干摩擦、过热和咬合。 选用适当的润滑油。 自身结构 选择适当的材料及表面优化工艺，使环、套二者的材料相互匹配好，并 与润滑油匹配好，以保证环-套副有较高的抗磨损能力和较低的摩擦系 数，环的寿命宜相对低于气缸套的寿命，因环比套更便宜且容易更换。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10.5.3.2 活塞环的材料和表面处理 常用材料：灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁等。 经过调质处理，可使材料的弹性模量、抗弯强度、硬度都提高，而弹 性模量的提高，会使环径向压力提高。 活塞环材料还应具有较好的热稳定性，即环在长时间高温下再降到室 温，弹力降低率较低。 活塞环的工

43、作表面通常都采用各种镀层或涂复层以提高其耐磨性、耐 腐蚀性或改善初期磨合性。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 第一道环常用的表面处理方法 镀铬镀铬环与铸铁气缸套的匹配性很好，摩擦系数低，环本身耐磨耐 腐蚀，并且还使气缸套的磨损也减轻，抗磨粒磨损的能力强，宜在多尘 环境中工作，主要用于汽油机和非增压柴油机的第一道气环和各类发动 机的油环。 喷钼钼的熔点很高，所以喷钼环的抗粘着磨损的能力强，能适应高温 下工作，抗磨粒磨损能力不及镀铬环。多用于高强化柴油机和低排热柴 油机。与高磷铸铁缸套或镀铬缸套匹配使用。 镶嵌铁淦氧将氧化铁与硅酸盐的混合物喷压进活塞环上的嵌槽内,随 后进行蒸气氧

44、化处理而成。镶嵌铁淦氧环存油性好，具有较好的磨合性 能和抗拉缸性能，可与镀铬气缸套相匹配，一般用于强化柴油机的第一 、二道气环。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 其它对活塞环喷涂陶瓷层或用金属陶瓷制造活塞环。 对于工作温度和压力较低的第二道气环及第一道环的非工作表面，通 常进行镀锡、镀铜或磷化、氧化处理，以改善磨合性或耐蚀性。 磷化处理磷化层很薄，具有柔软、存油等性质，能改善磨合性，有防 蚀、防锈作用。一般镀铬环的非工作表面和非镀铬环的全部表面都进行 磷化。 氧化处理使环全部表面形成极薄的氧化铁覆层，其目的与磷化处理类 似。 镀锡锡质软，具有良好的减摩性，能改善初期磨合性能，

45、有防锈、防 蚀作用。主要用于小型柴油机的非镀铬环的全部表面。 镀铜全部表面镀铜，可改善初期磨合和抗拉缸性能，主要用于大缸径 柴油机。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 10.5.3.3 气缸套的材料与表面处理 气缸套材料普遍采用铸铁，包括灰铸铁和各种合金铸铁。 高磷合金铸铁可使铸铁的耐磨性大为提高，是国内应用最广泛的气缸 套材料。 硼铸铁与高磷铸铁相比，硬度更高、更耐磨，相当于镀铬缸套，而且 其韧性和强度均好，有良好的铸造性能。 钛钒铸铁具有优良的耐磨性和抗腐蚀性。 合金铸铁强度提高，也具有好的耐磨性和耐腐蚀性，但成本高。 也可用灰铸铁、球墨铸铁、稀土钙铸铁、磷钒铸铁及钢材等制

46、造气缸套 ，但应用不广。 常用的材料为高磷铸铁和硼铸铁。 10 活塞组件 10.5 活塞的密封结构与活塞环 对要求高的气缸套，内表面可进行表面处理，以提高其耐磨性，方法 有： 薄壁缸套镀铬耐磨性好;与铸铁环和喷钼环配对的摩擦系数小，耐磨 性好，但其耐粘着磨损性能不及软氮化缸套。 高频感应淬火主要用于球墨铸铁和合金铸铁缸套，可提高耐磨料磨损 性能1-2倍，其缺点是缸套容易变形。 激光感应淬火硬度可比处理前提高一倍以上，耐磨性提高30%-60% ，还可使配对活塞环耐磨性提高50%-60%。 软氮化可使表层具有优良的耐磨性和耐腐蚀性，内部具有很高的抗疲 劳强度，且成本低，适用于各种类型的柴油机气缸套。