汽车活塞环设计.doc

1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 a1a1 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 95 21-25热处理灰铸铁 115 21-27球墨铸铁 160 22-30钢 200 26-322（4）闭口间隙 S1S1 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 ～14.5 rad（10′～50′）3max109.23sin31xIZd式中 λ 扭曲角（rad） m 自由开口 mmd1基本直径 mmIx 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 mm4β 离环背的角度扭曲环设计参见下图3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4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54.10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61.2㎜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，高接触比压，减少环组的环片数发展，近期以轻量化减低摩擦损失为目的进行环组配置3.1 汽油机环组配置 参见图 2～图 163.2 柴油机环的配置 参见图 17～图 184.设计的基本计算公式4.1 弹力与自由开口的关系式图 19 中Ft：在环开口切线方向施加的载荷（N） Fd：在与环开口成 90°的 D 处施加的径向载荷（N） 7θ：A 点（到环至闭口间隙 S1 时）转移到 B 点处的夹角；图 19 弯曲力矩与弹力的关系R：径向厚度中心线的曲率半径M：B 点处的扭矩 Nmmδ：开口断活塞环在 Y 方向的位移量任意点 B 的扭矩 MM=FtR(1+COSθ)………………………………………………(4.1)当 Ft使环到闭口间隙时m-s1=2δ= (mm)………………………(4.2)IERt3式中 E：材料弹性模量 MpaI:截面环对截面（中心线）的二次惯性矩 mm4用于矩形截面：)(1243mahIR= （mm）dm－s 1 = (㎜)14.14(d1/a1-1)3 FtEh1Ft= (N) 31)/(.s4.2 面压与弹力的关系图 20 弹力与面压的关系弹力与接触比压（面压）关系参见图 4.20任意点 B 的扭矩M=Ft·R（1+cosθ）……………………（4.3） 8M=p·h1R0R(1+cosθ)……………………(4.4)因为 R0= 2dFt=P·h1·R0= )(1NP上式中：P：平均面压（Mpa）h:环高（mm）d 基本直径（ mm）14.3Ft与 Fd的换算Fd=2.27Ft ISO 规定 Fd=2.15Ft4.4 环发生的应力环的使用应力(工作应力)f 2f2= (Mpa)2135.adsmE环的安装应力f1= )()(.821MPa5.设计基本经验5.1 面压的选定一般面压的选定要考虑到：①防止漏气；②减少润滑油耗量；③减少摩擦损失。

普通开槽油环的面压 0.15-0.20Mpa；倒角铸铁油环的面压 0.5Mpa；钢带组合油环的面压 0.8Mpa.最近由于低燃油耗，低磨损观点，设计倾向于低面压5.2 h1的选定高转速环倾向于薄环，但环薄有折断的危险且加工难度较大5.3 a1选定a1 m E 为弹力设计要求要素，设计中要互相配合 尤其是薄环，a 1不适当使安装或使用应力过大造成环折断几率增大，a 1要与 d1相适应5.4 自由开口的选定m 的 选定与材料种类有关并取决于 m/d1环制作经镀铬、检查等都是将环从自由状态到闭合状态的往返过程，经过多次的“约翰逊”变形，使灰铸铁环成品的自由收缩量为 10%～20%，即铸坯开口弦长的 80%～90% （此段按原版直译，译注：シヨソ；约翰逊 Johnson 指总变形=弹性变形+塑性变形）球铁 E 大，m 较小9m 过小使安装应力大；m 过大.工作应力大.环易变形近年来，低面压设计要求使 m/d1倾向于小值5.5 a1/h1与弯曲自由状态环应符合下式 ≤m·3E′R π2Eα 2上式中 E′= 1α=a 1/h1m 自由开口 mm R 环的半径（参见图 4.19）mmE 弹性模量 Mpa图 21 E 值为 95Gpa 材料的弯曲临界计算值 h 1环高 mma1径向厚度 mmγ 泊松比图 21 为材料 E=95Gpa 的弯曲临界计算值 m/d1与 a1/h1的选定应落在斜线的安全范围区之内，实践表明由于热负荷，外应力等，附加适当的安全系数是完全必要的。

5.6 闭口间隙的选定热膨胀造成的最小闭合间隙 S1 min(mm)S1min=πd 1(α 1△t 1-α 2△t 2)式中 d1环基本直径（mm）α 1环的热膨胀系数（mm/mm℃）α 2缸套热膨胀系数（mm/mm℃）△t 1环常温与工作温度之差（℃）△t 2缸套常温与工作温度之差（℃）S1min=πd 1α△t上式中 α 铸铁热膨胀系数 1.2×10 （mm/mm℃）5△t 环与缸套的温度差（℃）表 8 环和缸套的温度差与最小闭口间隙用途及小环的种类 温度差△t 闭口间隙最小值（常温）10气 环 100 0.0038xd1内 燃 机 及小型压缩机 油 环 80 0.0030x d1油 压 缸 用 环 50 0.0019x d16.压力分布曲线与自由状态形状的关系（1）等压分布，用于中高转速4 冲程活塞环2）桃形分布，用于各种高转速环（3）苹果形分布用于 2 冲程发动机环环的压力分布形态图参见图 4.22汽车活塞环设计。