浅谈活塞环设计中几个参数的选择_杨红玉.pdf

10 内燃机与配件 年第期 浅 谈活塞环设计中几个参 数的选择 杨红玉 南京飞燕活塞环股份有限公司 ） 摘要 归纳总结了柴油机活塞环的设计过程中 ， 一些相 关参数的选择 ， 以及其对使用性 能的影响。 关键词 活塞环面压 柔性系数闭口间隙侧隙背隙 活塞环作为发动机的关键零部件之 一 ，在发动对 一般车用柴油机 ，第 一 、二道气环的面压通 机的经济性、可靠性、排放方面发挥着重要作用，常在油环面压通常 在 活塞环结构看似简单，但其技术要求较多，也很复 。 高速高面压，低速低面压；大缸径低面 杂。同时针对柴油机、汽油机、天然气机等不同类 压 ，小缸径高面压；增压机高于自吸机。当然面压 型的发动机 ，活塞环的设计也有着较大的差异。 即 的最终确定 ，必须综合发动机的进气方式、爆发压 使是针对同 一种发 动机 ，在活塞环设计时还必须综力、转速等相关条件进行考虑。 合考虑发动机的工况 、工作环境等条件。所以说活 在环组设计中，油环面压的选择更为重要，因 塞环的设计，是件较为 复杂的过程。为油环在工作时几乎不受背压的影响，其本身面压 但活塞环的设计，除了其可靠性这个基本要求的大小，对机油耗的影响很明显，图 一 表示的是油 夕卜 ，重点还是得围绕活塞环的四大功能之中的密 环面压与机油耗的关系。 当然在追求高面压低油耗 封 、控油及导热这三大功能，特别是在目前的排放的同时 ，也应该认识到润滑不良导致磨损加 剧甚至 要求不断提高的形势下，如何通过活塞环的优化设拉缸风险的存在。 计，降低发动机的漏气量和机油消耗，是活塞环产 件组 ， 式解 品设计工程师重点要解决的问题。 油门全开 本文以柴油机活塞环的设计为例，在活塞环经 典理论的基础上 ，结合 一些典型案 例 ，谈谈活塞环 、 设计过程中几个关键参数的选择。 面压的选择 面压的选择 ，重点是从降低漏气量和减少机油 耗两方面考虑。其中第 一道气环重点要考虑密封的 作用，油环要考虑控制机油耗。环在实际工作中， 环背受到的气体压力要远远高于环本身的弹力 ， 面 油环 压的选择以其能克服燃气压力建立第 一密封面为原 图 油环面压与机油耗的关系 则，尽可 能的低 ，以减少摩擦损失。环高的 选择 但是随着发动机高速化方向的发展， 面压有增 过去从防止环折断和导热的角度考虑，各环环 大的趋势，这主要是因为在高速机中，环更容易颤高选择都偏大。环高的增大，不仅增加了摩擦损 振，提高环弹力， 可以减少颤振 ， 避免漏气量的 失，也增加了发动机工作时环的悬浮、振动和 环端 增大。 面的敲击。随着发 动机的高速化方向的发展 ， 以及 杨红玉 ：浅谈活塞环设计中几个参数的选择 球铁、钢等高强度活塞环材料的应用，降低环高成 压力高，这类活塞环的面压较高 （气环达 为可能，现代发 动机活塞环的设计环高已呈明显的 以上） ，在 至 时 ， 活塞环开 口缸径比 薄型化方向发展。 （ 已很大 ，所以这类活塞环的 通常取值 减小环高的好处：为至 减小摩擦损失：工程机械柴 油机活塞环 （气环 通常是球铁 及高强度合金材料）：以锡 柴、玉柴产品为典型的 “ 中低速 （转速通常小于 、大马力发动机， 当确 定了面压减小环高 可以降低环 这类活 塞环的面压较低（气环通常在 以 的弹力从而降低摩擦磨损符 合发动机经 下） ，由于面压低，如果不减小径向厚度即增 济性要求的提高。活 塞 环低弹力高面压是其发展 大那么活塞环开口缸径比 （ 将过小 造成安装应力过大。所以这类活塞环的 通常取 降低环高 ，还可以降低活塞环工作时的惯性 值为 至 力， 一方面提 高活塞环发生震颤的转速 ，从 而尽可 普通多缸柴油机（气环通常是球 铁及普通 能 的避免第 一 道气环的悬浮，降低发动机的漏 气 合金材料）：这类 发 动机通常结构较老，转速通常 量 ，同时还可以减轻活塞环的泵油现象，有利于机 在 至 ，活塞环的设计也较原 始，气 油耗的控制 。这对于目前发动机高速化方向的发展 环面压通常在至 相对面压较高 ， 尤为重要。图二表示的是环高与漏气量的关系。 的取值，球铁为至且偏下，普通合金为 减小环高还可明显提高环对缸套变形的顺 至在这种情况下才有合适的 。 应性 ，加强密封及控制机油耗。 与活塞环材料的关系 钢 ：钢的弹性模量较铸 铁环大很多，不会折 紅径冲程： 排 气量： 断，在面压 一定 的情况，可以允许取较小的 通 常在以上 ； 厂 球铁：球铁的弹性模量较普通合金铸 铁大很 多，抗弯强度大， 不易折断 ，在面压 一 定的情况 与下 ， 可以允许取 较小的 ， 通常 在 至 广 、 ， 之间 ； 高强度合金铸铁 ：接近球铁 ， 通常 在 至之间 ； 、广 普通合金铸铁 ： 弹性模量小，抗弯强度小易折 最大功率 ：断，在面压 一定 的情况下， 取值相对较大 ，通常 在 至之间。 一 自由开口与缸径比即 发动机速度 环的自由开口 计算公式： 图环高对漏气量的影响 【 径向厚度 的选择 活塞环书籍通常认为 大约在 左右 （在 从活塞环的可靠性 、经济性出发， 现在设计活 活塞环发展初期通常小于现代的发展趋势是 塞环通常是先确 定活 塞环材质，再确定活塞环的高 大于 的取值与发动机类型、活塞环的材料 度这两个大的方向， 然后定弹力 ， 径向厚度最后 等因素 相关。 再进行设计校 核，作 优化。 与发动机类型的关系 所以活塞环自由开口应该作为校 核参 数， 车用柴油机活塞 环（气环通常是球铁及高 而不是作为设计参数。 强度合金材料） ：以 及 发 动机为典型的 在面压已确定的情况下，初选径向厚度后计 高转速轻型发动机 （转速达以上） ，爆发 算的目的是评价活塞环的安装 、使用性能 ， 12 内燃机与配件 丨年第期 过小 ，环的安装应力过大，安装易造成环的变数。特别是对于油环，柔性系数的重要程度更加明 形甚至折断；过大 ，环的使用应力过大，在使显，这会明显影响机油耗， 图三表示的是油环柔性 用过程中易造成环的弹力消失率大甚至折断。 系数受环高的变化，以及对机油耗的影 响。所以在 大多数气环在 之间 ，但当 现在的设计中 ，在追求低油耗时，通常通过减小油 材料偏大时，弹力难以控制，特别是表面 环环高来达到降低机油耗的目的。 电镀、喷钼时，自由开口收缩较大，弹力消失也较 丨 大。所以特别是普通合金材料，的值不宜过 祷铁 大；球铁材料 偏小时，通常会造成安装困难。 在实际使用中 ， 的允许取值范围 ，与理论 书籍并不完全相同。这主要是现在实际使用中，由 于材料性能的提高，已允许更多的考虑活塞环的顺 了 、 、 应性，允许的使用应力往往超出理论值。 一一 但是对于油环的自由开口设计，并不是按以上 公式进行，而是根据弹簧压缩量而决定的。相关标跟随性系数 值 准上规定，弹簧最大压缩量为 压缩量过 图油环柔性系数与机油耗的关 系 大，安装困难， 根据目前低弹力高面压的设计思 路，弹簧压缩量可适当降低，合理的范围是在 ，油环的自由开口大小以弹簧 闭 的存在 防止活塞环在作时 亩人了昍节乇眘 开口顶死而产生故障。从密封性角度讲 ， 环的闭口 越小，密封性能越好 ，特别是顶环。 在过去的设计中，通常追求小闭 口间隙 ，包括 帛二道气环。細着发动机的发展，第二道气环闭 性用柔縣数絲量反映了环政套变細 间細赫 ，不再是鮮應小，相反，有时 适应能力 的大小这也是个補计算 需要故意增大第 ：辦酬 、輔 ，以平衡第、 工力： ， 二环间的压力 ，减少第 一道环 的浮起，从而控制发 动机的整体漏气量和机油耗。 廿山止 这是因为对于气环，主要保证其动力学稳定 找 性，即保证工作中不脱离槽底边对应的曲轴转角足 绕惯 够大，为此，要在环结构上设法保证第 一道气环和 胃二道气环之间的压力不超过燃烧室中压力太多 两者压差不能接近于首环所受之摩擦力， 即所谓的 制。 在这种慨下，加大第二道气环闭口 低 及 的发动 间隙 （相应增大二环岸 容积可以减小膨胀行程 后期作用于第 一道气环上 、下表面压差。国外有资 ： 料说明，这时第二道气环的 闭间隙般为顶环的 胃 倍。表是标准规定的普通环闭 口 司隙值，作为按比例选取平衡压力环第二道气环闭 以活塞环的柔性系数，应针对不同发动机的实际情 口 进行考虑。 、 、 、 表普通环闭口间隙值 实际上在活塞环的设计过程中确定了面压、 本从八、”山【 、 、 后 再结合的校核， 也能间接地反映出 环的柔性 和 越大，环的柔性越好。 闭 隙 。 。 通过以上公式可以看出，柔性系数与环高密切所以现代发动机活塞环设计时 一般将第二道环 相关 ，通过减小环高，可以明显提高环的柔性系 的 闭 口间隙设置比第 一道气环 的大 ，尤其是在爆发 杨红玉 ：浅谈活 塞环设计中几个参数的选择 压力较大的柴油机中，因为这样可以利用较大的闭 中尽量要减 小 侧隙。表二表示的是侧隙的选择 口间隙将第二道环岸的压力泄去 ，增大第 一道环上 参考。 下面的压力差，减少第 一道气环的悬 浮从而降低漏 气量，并使高压气体能轻易的将位于第 一道环上部 标准中对铝 活塞和铸铁活塞的最小背隙 气虹壁的机油吹下，减小机油消耗量 。图四表不的 十算，规定彳吏用下面公式： 是第 一 、 二道环闭口 间隙 之差对机油耗的影响 对于气环： 曲线。 对于油环： “ 式中： 活 塞环的环槽底径，单位为 ：丨 公称直径 ，单位为 。 鲁 、 一活 塞环径向厚度，单位为 铸铁活塞为 ，铝活塞环为 。 ；实际柴油机活塞环设计中，气环背隙通常为 油环背 隙通常为 背隙过小，则活 塞环容易和活塞槽底部接触 ， 闭间之差 （第二第 在工作中谷易导致活塞环折断，而对于油环，如果 背隙过小，则会导致油压升高，向上窜油，从而增 图 第 一 、二道环闭口间隙之差对机油耗的影响 加机油耗； 活塞环背隙过大 ，对于气环而言则建立 表 背面压力困难，造成活塞环密封效果不好，导致漏 气量增加或者烧机油事故的发生 。 四冲程 二冲程 一 缸径环别 总结 水冷风冷水 冷风冷 一 一 “一一一一 活塞环的设计是个较复杂的过程在实际工作 忘 一一一一一一一一 中，还必 、须对环的材料 、结构、表面处理、型线等 一一一一一一一一一 进行设计