3．活塞環(huán)的斷面形狀

      隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，對(duì)活塞環(huán)也提出了更高的要求，特別是如何更好地防止竄油和漏氣問(wèn)題，而合理的選用不同斷面形狀的活塞環(huán)，對(duì)改善活塞的工作、防止氣體的泄漏和減少機(jī)油的消耗起著重要的作用。

4．密封與竄氣

      具有燃燒壓力的氣體通過(guò)活塞側(cè)面及環(huán)開(kāi)口竄到曲軸箱稱為竄氣，如圖3所示。如果發(fā)生竄氣，就有功率損失。如果竄氣過(guò)多，移動(dòng)的活塞通過(guò)氣環(huán)和油環(huán)來(lái)密封。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)都使用兩道氣環(huán)和一道油環(huán)。不過(guò)，對(duì)于某些柴油機(jī)，也可以使用更多的氣環(huán)來(lái)密閉較高的壓力。

5．活塞環(huán)端隙

      當(dāng)氣環(huán)置于汽缸內(nèi)時(shí)，活塞環(huán)兩端有一間隙，如圖4（a）所示，該間隙指的是活塞環(huán)端隙。活塞環(huán)端隙隨著活塞環(huán)溫度的升高會(huì)變小。如果過(guò)小就會(huì)箍緊汽缸而斷裂，導(dǎo)致缸壁嚴(yán)重劃傷。如果活塞環(huán)端隙過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致竄氣過(guò)量。當(dāng)翻修發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)檢查活塞環(huán)的端隙，如圖4（b）所示。

 

圖3  活塞環(huán)壓力氣體竄氣圖

圖4  活塞環(huán)端隙檢查圖

 

6．氣環(huán)材料

      氣環(huán)由鑄鐵制成，該材料很脆，如果彎曲很容易折斷，所在位置如圖5所示。不過(guò)，脆性材料耐磨性很好。某些重載發(fā)動(dòng)機(jī)和某些柴油機(jī)使用韌性鐵作為活塞環(huán)的材料。這種材料強(qiáng)度較大，具有抗斷裂性能，但用這種材料的成本較高。某些高質(zhì)量的活塞環(huán)外側(cè)都具有鍍鉻層或鍍鉬層。鍍鉻層或鍍鉬層能夠降低活塞環(huán)與缸壁的磨損，結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于鍍鉻或鍍鉬具有這種特性，所以這種活塞環(huán)的抗斷裂時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)了。

 

圖5  柴油機(jī)活塞環(huán)之氣環(huán)位置圖

圖6  鍍鉻和鍍鉬層氣環(huán)

 

二、活塞環(huán)的類型

 

1、氣環(huán)

      壓縮環(huán)有若干種類型，圖7所示為一些比較普通的類型。矩形斷面環(huán)和矩形環(huán)平貼著缸壁，錐面環(huán)改善了向下行程的劃擦能力。另一些活塞環(huán)是將角槽和倒錐面活塞環(huán)設(shè)計(jì)成了扭曲環(huán)。這些活塞環(huán)或者有導(dǎo)角，或者在環(huán)上加工出了沉孔。

      圖8是扭曲環(huán)原理圖。活塞扭曲環(huán)裝入汽缸后，外側(cè)拉伸應(yīng)力合力F?與內(nèi)側(cè)壓縮應(yīng)力合力F?之間有一力臂e,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力偶矩M,使環(huán)外圓周扭曲成上小下大錐形，使環(huán)邊緣與環(huán)槽上、下端面接觸，防止活塞環(huán)竄動(dòng)和泵油。

      任何導(dǎo)角和沉孔都會(huì)使環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力使活塞環(huán)產(chǎn)生輕微扭曲。這種情況只有活塞環(huán)在汽缸內(nèi)受壓縮時(shí)發(fā)生。扭曲可在缸壁和活塞環(huán)凹槽內(nèi)形成線接觸密封。線接觸提高了活塞環(huán)的劃擦特性和密封特性。這種情況也稱作靜態(tài)張緊。當(dāng)活塞環(huán)處于某些位置時(shí)，沒(méi)有向下的壓力作用在活塞環(huán)上。這種情況發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣沖程、壓縮沖程和排氣沖程中。只有在做功沖程中，高壓才作用在活塞環(huán)上。在進(jìn)氣沖程中，扭曲力壓迫活塞環(huán)的底角，就像刮刀一樣刮擦缸壁。這有助于除去缸壁上過(guò)多的潤(rùn)滑油。

      扭曲有助于在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中活塞環(huán)密封缸筒。在壓縮沖程中，活塞環(huán)仍保持扭曲狀態(tài)。這樣使活塞環(huán)滑過(guò)仍保留在缸壁上的潤(rùn)滑油而不是將其帶到燃燒室內(nèi)。隨著活塞的上升，壓縮壓力有助于使活塞環(huán)變平以利于更好的密封。在做功沖程中，燃燒室中的熱氣進(jìn)入活塞環(huán)槽中。活塞環(huán)被頂出，平靠在缸壁上。這時(shí)在做功沖程中具有良好的密封，該過(guò)程也稱做動(dòng)態(tài)密封。在排氣沖程中，靜態(tài)狀況再次出現(xiàn)，活塞環(huán)再次扭曲，扭曲使活塞環(huán)又滑過(guò)缸壁上的潤(rùn)滑油。多槽和圓形或管形面活塞環(huán)也可產(chǎn)生線接觸，從而達(dá)到更好的密封效果。

 

圖7  各種類型的活塞環(huán)橫切面圖

圖8  活塞環(huán)扭曲環(huán)原理圖

 

2、油環(huán)

      發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，有大量的潤(rùn)滑油被甩到缸壁上。連桿也將潤(rùn)滑油飛濺到缸壁上。某些發(fā)動(dòng)機(jī)連桿上有油孔，有助于將潤(rùn)滑油直接飛濺到缸壁上。而缸壁上的潤(rùn)滑油又有助于潤(rùn)滑和減少磨損，但一定不要讓潤(rùn)滑油進(jìn)入到燃燒室內(nèi)。油環(huán)用來(lái)刮掉缸壁上的潤(rùn)滑油，還可以防止?jié)櫥瓦M(jìn)入到燃燒室內(nèi)，并潤(rùn)滑缸壁以防過(guò)度磨損。

      所有的油環(huán)都用來(lái)在向下沖程中刮掉缸壁上的潤(rùn)滑油，如圖9（a）所示。潤(rùn)滑油從缸壁上被刮下來(lái)后，穿過(guò)油環(huán)中間，然后從活塞上的孔流過(guò)，返回到曲軸箱內(nèi)。這種刮擦過(guò)程有助于除去活塞環(huán)上的碳顆粒。潤(rùn)滑油油流也有助于冷卻和密封活塞。

      油環(huán)由二、三或四部分組成，通常包括膨脹圈、上軌道、隔圈以及下軌道，有些油環(huán)，其中幾個(gè)部分可能制成一體。膨脹圈用來(lái)頂著缸壁推出油環(huán)，上下軌道用來(lái)刮掉缸壁上的潤(rùn)滑油，有事也將其稱為刮環(huán)。隔圈用來(lái)將兩個(gè)刮環(huán)分開(kāi)。圖9（b）所示為普通形式的油環(huán)。對(duì)于某些刮環(huán)，鍍鉻部分可以提高油環(huán)的耐磨性。圖10表示了幾種發(fā)動(dòng)機(jī)使用的油環(huán)以及它們是如何組合在一起的。

 

圖9  活塞環(huán)油環(huán)工作原理圖

圖10  活塞環(huán)油環(huán)的類型圖

3、活塞環(huán)基本尺寸參數(shù)要求

（1）直徑選取

      活塞環(huán)的直徑應(yīng)該選擇缸內(nèi)直徑的3%-5%之間。一般情況下，缸內(nèi)徑越大，選擇的活塞環(huán)直徑就越小。

（2） 厚度選取

      對(duì)于鑄鐵活塞環(huán)，徑向厚度t的選取應(yīng)該在0.6mm~2mm之間。厚度t越大，活塞環(huán)的強(qiáng)度越高，但對(duì)活塞和缸體的磨損也越大。

（3）環(huán)寬選取

      環(huán)寬應(yīng)根據(jù)活塞的燃燒室形狀和噴油系統(tǒng)的性能來(lái)確定。環(huán)寬過(guò)窄，熱負(fù)荷會(huì)過(guò)高，容易燒蝕；環(huán)寬過(guò)寬，會(huì)造成活塞在缸內(nèi)的不穩(wěn)定振蕩，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音和壽命。

4、直徑和厚度對(duì)活塞環(huán)的影響

（1）直徑對(duì)活塞環(huán)的影響

      直徑大小直接決定環(huán)的緊實(shí)度和摩擦力大小。如果直徑過(guò)大，則環(huán)在活塞坑內(nèi)處于松弛狀態(tài)，容易燃燒室內(nèi)氣體侵入，從而減小了環(huán)的密封作用；如果直徑過(guò)小，則活塞環(huán)會(huì)因松動(dòng)而引起噪音和磨損。

（2）厚度對(duì)活塞環(huán)的影響

      厚度越大，活塞環(huán)的強(qiáng)度和密封性就越好，但也會(huì)增加與活塞和缸體之間的摩擦力，從而增加熱負(fù)荷。反之，厚度較薄的活塞環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不僅制造成燃燒室內(nèi)氣體的泄漏和油浸，而且極易發(fā)生變形，對(duì)柴油機(jī)的使用壽命也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響

 

三、活塞環(huán)安裝

 

1、安裝步驟

      當(dāng)活塞環(huán)安裝到活塞上時(shí)，要注意已經(jīng)選配好的活塞環(huán)只能與該缸的活塞匹配；第1道活塞環(huán)只能安裝在第1道活塞環(huán)槽內(nèi)，其余各道活塞環(huán)依次類推；活塞環(huán)的安裝方向，環(huán)端有標(biāo)記的一面應(yīng)當(dāng)朝上。可以用活塞環(huán)卡鉗安裝，也可以直接用手工安裝。

      在安裝活塞環(huán)時(shí)，要將活塞環(huán)的端口相互錯(cuò)開(kāi)，以減少活塞環(huán)的漏氣量。活塞環(huán)的端口不要布置在活塞裙部承受側(cè)壓力的方向（活塞的左、右兩側(cè)），不要與活塞銷(xiāo)軸線重合，第1道活塞環(huán)的端口應(yīng)位于做功沖程側(cè)壓力較小的方向。如圖11所示，有3道活塞環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，第1、2道活塞環(huán)端口之間錯(cuò)開(kāi)180°，第2、3道活塞環(huán)端口之間錯(cuò)開(kāi)90°。如圖12所示，有4道活塞環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，第1、2道活塞環(huán)端口之間錯(cuò)開(kāi)180°，第2、3道活塞環(huán)端口錯(cuò)開(kāi)90°，第3、4道活塞環(huán)端口之間錯(cuò)開(kāi)180°。

       在安裝錐形環(huán)和扭轉(zhuǎn)環(huán)時(shí)，應(yīng)注意活塞環(huán)的安裝部位和朝向：

（1）扭轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)圓切槽朝上，外圓切槽環(huán)的切槽則向下；

（2）錐面環(huán)的小端向上；

（3）內(nèi)圓倒角的環(huán)，倒角朝上；

（4）外圓倒角的環(huán)，倒角向下；

（5）活塞環(huán)在一面標(biāo)注有“上”或“0”、“△”等記號(hào)，在安裝作業(yè)時(shí)，須將有標(biāo)記的一面朝上安裝；

（6）桶面環(huán)或鍍鉻環(huán)應(yīng)裝在第一道環(huán)槽內(nèi)；

（7）安裝組合式鋼帶油環(huán)時(shí)，應(yīng)首先將襯簧裝入槽內(nèi)，然后安裝上、下兩道刮片，并將兩刮片的開(kāi)口錯(cuò)開(kāi)180°。

圖11  活塞環(huán)端口錯(cuò)開(kāi)示意圖（三道環(huán)）

圖12  活塞環(huán)端口錯(cuò)開(kāi)示意圖（四道環(huán)）

 

2、安裝工具

      活塞環(huán)是用于嵌入活塞槽溝內(nèi)部的金屬環(huán)。一般活塞環(huán)安裝在活塞的環(huán)槽里，它和活塞、缸套、缸蓋等元件組成腔室做功。通常來(lái)說(shuō)，每個(gè)活塞在生產(chǎn)之后均需安裝活塞環(huán)，但在實(shí)際中，為了實(shí)現(xiàn)采用機(jī)械設(shè)備自動(dòng)將活塞環(huán)安裝到活塞上，通常需要將活塞先進(jìn)行限位固定。

（1）活塞承載架

      活塞環(huán)安裝用的活塞承載架（如圖13所示），底板上前側(cè)、后側(cè)均對(duì)應(yīng)安裝有支撐架，每個(gè)支撐架上均設(shè)有半圓形的卡槽，兩個(gè)支撐架之間具有間隙，位于前側(cè)的卡槽前端設(shè)有阻擋板，位于后側(cè)的卡槽后端設(shè)有以鉸接方式安裝在后側(cè)的支撐架上的擋門(mén)。通過(guò)插銷(xiāo)與插環(huán)的配合實(shí)現(xiàn)控制擋門(mén)的開(kāi)合，繼而達(dá)到將活塞進(jìn)行安裝并限位的功效，并間接起到方便后續(xù)的活塞環(huán)安裝的效果。

（2）活塞環(huán)拆裝鉗

      活塞環(huán)是許多內(nèi)燃機(jī)和機(jī)泵中不可或缺的零件，然而，由于在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)損壞。這就需要對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行拆卸和裝配。拆裝時(shí)候還存在以下缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大，同時(shí)，在拆卸時(shí)，在鉗壁的作用下，活塞環(huán)受到向外的張力，容易出現(xiàn)向外彈出的情況，從而出現(xiàn)彈傷附近工作人員的情況。且活塞環(huán)被彈出后，需到處尋找，比較麻煩。圖14所設(shè)計(jì)的活塞環(huán)拆裝工具，通過(guò)在鉗壁的外端面上連接橡膠帶，當(dāng)使用拆裝鉗進(jìn)行拆裝時(shí)，橡膠帶套在活塞環(huán)外，當(dāng)活塞環(huán)彈出時(shí)，橡膠帶就會(huì)起一個(gè)擋板和緩沖的作用，使得活塞環(huán)不易向外彈出。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低且便于攜帶，具有較高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

 

圖13 活塞環(huán)安裝用的活塞承載架

圖14  柴油機(jī)活塞環(huán)拆裝鉗

 

總結(jié)：

      根據(jù)活塞環(huán)的作用和工作條件，活塞環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)有適當(dāng)?shù)膹椓Γ岳跏济芊猓磺揖邆?/span>易磨合且有足夠的耐磨性和抗結(jié)膠能力。活塞環(huán)設(shè)計(jì)采用彈性彎曲理論，綜合考慮環(huán)裝入活塞的張開(kāi)應(yīng)力和環(huán)在氣缸中的工作應(yīng)力。根據(jù)這些應(yīng)力的最佳比例和環(huán)材料的強(qiáng)度和彈性模量，實(shí)際環(huán)的自由狀態(tài)開(kāi)口距離為2.5～3.5倍的環(huán)徑向厚度，環(huán)直徑/徑向厚度之比在22～34之間。康明斯公司經(jīng)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)之積累和廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，得出了壓縮環(huán)、油環(huán)和環(huán)槽設(shè)計(jì)參數(shù)的推薦范圍，具體請(qǐng)參考康明斯柴油發(fā)電機(jī)技術(shù)手冊(cè)。

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