第三章活塞环的设计内燃机的性能与活塞环的设计息息相关。

目前世界上活塞环设计已进入标准化系列化时代。

3.1 活塞环的设计原则根据活塞环的作用和工作条件，活塞环的设计应满足如下要求：1 有适当的弹力，以利初始密封；2 有较高的机械强度和热稳定性好；3 易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶能力；4 加工工艺简单，成本低廉。

活塞环设计采用弹性弯曲理论，综合考虑环装入活塞的张开应力和环在气缸中的工作应力。

根据这些应力的最佳比例和环材料的强度和弹性模量，实际环的自由状态开口距离为2.5～3.5倍的环径向厚度，环直径/径向厚度之比在22～34之间。

经长期设计经验之积累和广泛的发动机运转测试，得出了压缩环、油环和环槽设计参数的推荐范围，如表3-1～3-4所示的数据，给活塞环设计提供一个全面的指南。

表3-1 气环侧隙环直径间隙顶环第二和第三道环76~178mm ＞178~250mm ＞250~405 mm ＞405~600mm ＞600mm 0.064/0.114 mm0.076/0.127 mm0.102/0.152 mm0.152/0.216 mm0.152/0.229 mm0.038/0.089 mm0.064/0.114 mm0.076/0.127 mm0.127/0.191 mm0.127/0.203 mm表3-2 油环侧隙环直径间隙76~178 mm＞178~250 mm ＞250~405 mm ＞405~600 mm ＞600 mm0.038/0.089 mm0.064/0.114 mm0.076/0.127 mm0.127/0.191 mm0.127/0.203 mm 表3-3 闭口间隙发动机型式单位缸径的闭口间隙水冷风冷及两冲程0.003/0.0040.004/0.005表3-4 侧面光洁度活塞环直径侧面光洁度CLA≤178 mm ＞178~405 mm ＞405~920 mm 最大0.4μm 最大0.8μm 最大1.6μm3.2 活塞环的设计要素活塞环的设计要素可以从材料、断面形状、表面处理等三个方面来进行分析、参数选择、方案对比。

3.2.1 活塞环的断面形状活塞环断面形状的设计是活塞环结构设计的重要组成部分。

活塞环的断面形状应能满足密封性好、迅速磨合、刮油能力强的要求。

断面形状设计从传统的简单确定经纬尺寸，发展到根据不同位置、不同环别以及该环所期望侧重的功能等综合选择断面形状。

气环常用的主要断面形状有矩形、梯形、锥面形、扭曲形和桶面形等。

（详见1.2）油环常用的主要断面形状有外阶梯形、鼻形、内撑弹簧形等。

现就内撑弹簧组合油环体断面有关结构参数作一简述。

1 径向厚度（环体径向厚度）由于环体径向厚度不受弹力的约束，为了减小环的安装和工作应力，并提高环的顺应性，径向厚度取3～5mm为宜。

2刮油边高度定义油环外圆面与缸壁接触的轴向高度当平均径向压力确定后，刮油边高度和切向弹力成正比，根据实践经验，环高＜4mm刮油边高度按0.5±0.1mm；环高＞4mm，刮油边高度按0.6±0.1mm为宜。

3集油槽深度和槽底壁厚为保证环体本身有足够强度，又有足够的存油，并满足回油畅通的要求对集油槽深度和槽底壁厚有一定的设计范围，根据环磨损达到最大允许值时，开口间隙允许增大2～2.5mm,则半径方向的磨损量为0.30～0.40。

据有关资料介绍，环磨损达到极限值时，油槽半径方向最小间隙为0.20mm，因此，集油槽深度为0.7～0.8mm个别可达0.9mm，槽底壁厚一般按1.5～2mm设计，具体尺寸由组合径向厚度和弹簧外径而定。

4回油孔高度和长度孔数回油孔高度理论上要求在满足环的机械强度的基础上，有足够的机油通道即可，但还必须满足工艺上的要求，一般选用0.8、1.0、1.2、1.5。

孔数按GB/T1149.7—94规定选用或产品图纸要求。

5内槽圆弧半径内槽圆弧半径一般比内撑体外径大0.1～0.15mm，圆弧形状为Ｕ形。

3.2.2 活塞环的切口形状活塞环的切口形状主要有三种：直切口、斜切口和搭叠式切口（见图3-1）。

活塞环安装时应使各种切口相互错开以减少漏气量。

图3-1 切口形状（a）直切口；（b）和（c）斜切口；（d）搭叠式切口加工简单，得到广泛应用。

2 斜切口与直切口相比，其实际间隙比较小，这样气体泄漏通道也相应变小了。

切口斜角一般在30º～60º之间，通常以45º居多，也得到广泛应用。

3 搭叠式切口密封效果好，气体通过曲折的通道能够把泄漏减至最低限度。

但环加工困难，安装环时由于切口张开度大，故安装应力大，易于折断。

一般用于低速大型柴油机。

3.2.3 活塞环的表面处理活塞环的表面处理在现代活塞环技术中占有很大的比重，回顾活塞环的表面处理技术的发展过程，实际上是一个从易到难，从简单到复杂，从单一性能到综合性能的演变过程。

活塞环表面复层的方法很多，可归纳为二大类：1以改善环的初期磨合性能，提高耐蚀性为目的的，称磨合型，如四氧化三铁（F3O4）、磷酸盐、锡等；2以延长活塞环寿命为目的的，称耐磨型，主要是铬、钼等。

对于高负荷、高速发动机主要是第二类。

活塞环表面处理种类很多，常用的有：1磷化处理磷化是指在活塞环表面通过磷酸盐处理，生成多孔性的磷酸锰（或锌）和磷酸铁的柔软薄膜。

具有耐腐蚀和提高初期磨合性能。

薄膜厚度视需要可为0.004～0.03mm。

2 硫化处理硫化是指用渗硫的方法在活塞表面生成一层硫化铁和氮化铁，具有防止熔敷磨损和提高初期磨合性能，一般用在直径较大的活塞环上。

3喷钼由于镀铬环的耐熔着性能不能满足发动机日益强化的需要，一种新的复层——喷钼，发展起来。

喷钼是利用喷鎗将纯金属钼丝熔化后喷成极细的钼粒，喷涂在予先开有凹槽的活塞环工作表面上。

其特点有：（1）耐熔着性能喷钼环始终具有良好的耐熔着性能，例如车辆行驶20万公里，喷钼环仍毫无故障，而镀铬环已出现严重的熔着现象。

（2）耐磨料磨损性能喷钼层特别具有多孔性，能获得良好的润滑条件，喷钼层中的质点硬度较高。

但喷钼环和镀铬环的耐磨损性能，孰优孰劣？要看特定的使用和试验条件、工艺条件等。

一般有这样一种倾向，即在以磨料磨损为主要磨损的情况下，以采用镀铬环为佳，在可能产生熔着的情况下采用喷钼环为宜。

但是，在强化发动机中实际发生的磨损中一般以熔着磨损最大，而熔着磨损产生的碎屑又会引起磨料磨损，就这种磨料磨损而言，喷钼环仍优于镀铬环。

（3）耐腐蚀性能喷钼环有足够的耐蚀性，比镀铬环略好一些。

（4）磨合性与密封性由于钼环的多孔结构（可贮油和脆性），它的磨合性能较镀铬环好，使摩擦损失减少；同时，其贮油特性有利于密封。

喷钼层的厚度，据资料介绍，喷钼压缩环钼层厚度一般为0.10～0.20 mm，最小可用0.05 mm，对于重载发动机可取0.15～0.30 mm。

氧化处理是指在活塞表面不完全氧化，生成四氧化三铁薄膜，具有耐腐蚀、抗咬合和提高初期磨合性能。

5 镀锡处理镀锡主要是改善初期磨合性能，缩短磨合时间，最近还有对镀铬环表面再镀锡的做法。

既可改善初期磨合性，又耐磨提高环的使用寿命。

6 氮化处理氮化是指在活塞环的表面渗氮，生成氮化铁硬化层，具有较好的耐腐蚀性和耐磨性。

7 镀铬处理随着发动机不断强化，对活塞环耐磨性要求提高，镀铬环的使用也随之增多，镀铬技术也不断创新，如刷镀技术、旋转镀铬技术、长筒镀铬技术、高低液槽位镀铬循环和周期换向电镀技术等得以发展。

镀铬环对提高活塞环耐磨性是一项很有效的措施，其原因一般认为是： （1）镀铬层硬度比铸铁高，达HV850～950，能抵制磨料磨损；（2）熔点比铸铁高，前者为1770℃，后者为1230℃，因此，与铸铁相比，有利于抵制熔着磨损；（3）有极好的的耐蚀性；（4）良好的镀铬表面能储存小量的滑油，例如表面造成沟纹或多孔组织。

此外，它与本体材料的附着力较大，导热系数好以致能成功地与铸铁或钢质缸套相配（但不能与镀铬缸套相配），镀铬层厚度，随用途而异。

在加工方面，有资料表明：（1）镀铬环要经过研磨或珩磨，否则将导致很严重的后果；（2）使用镀铬环时气缸的光洁度很重要，为有良好的磨合，缸套宜粗糙些，如20～40微吋（均方根值）。

8 喷涂耐磨材料喷涂耐磨材料是活塞环表面处理的新技术，其中等离子喷涂更处于发展阶段，喷涂层具有多孔性和比铬更高的熔点，具有更好的抗咬合性能。

耐磨材料有钼、陶瓷材料、金属碳化物等。

其中尤以喷钼采用较多，还出现镀铬表面再喷钼的方法，显示出喷涂耐磨材料发展的前景广阔。

活塞环表面处理技术的长足进步和广泛应用势将继续下去，如活塞环表面多元素的复合镀，有机高分子材料的复合涂层技术等正在试验发展中。

3.3 活塞环的结构尺寸 3.3.1.径向厚度 a 11—汽车拖拉机发动机 2—强化发动机 图 3-3 活塞环 d 1/a 1的推荐值图 3-2 活塞环d 1/a 1变化曲线 d 1/a 1 d 1/a 1d 1d 1 mm ）径向厚度指环内、外圆之间的径向距离。

一般由缸径和活塞环槽底深度而定，此参数的大小直接影响活塞环的弹力、应力以及内燃机的性能。

总的说径向厚度α1小，则平均弹力就小，散热比较困难，显然对高速发动机是不利的。

近来，随发动机的高速化，环的径向厚度趋向于加大，对改善活塞传热，提高环的弹力、刚度是有利的，但若径向厚度过大，工作和安装时应力大，易折断，同时对气缸横向变形的适应性较差。

因此规定缸径d 1与径向厚度α1的比值应在一定的范围内，一般d 1/α1=22～28。

（图3-2、3-3）汽油机环宜取小，柴油机环宜取大。

3.3.2 环高 h 1环高是环两端面沿其轴线方向的最大公称尺寸。

活塞环的高度不宜过高，因为：1 能较好地适应气缸的不均匀磨损和变形，可以避免棱缘集中负荷，从而提高环的抗粘着能力（见图3-4））；2 使活塞组往复质量和结构尺寸减少，活塞环槽磨损减少；3 使环背和环槽间的空间变小，环背压力容易建立起来，提高了二次密封效能；4 发动机摩擦功率损失小，气缸套的磨损将显著下降；5 磨合快。

事物都是一分为二。

环高过小， 将使活塞工作稳定性变差，从而可能引 起活塞环与气缸壁之间表面接触应力集 中，破坏缸壁油膜导致拉缸的可能。

还 可能导致磨料磨损增加（见图3-5）易 于折断、散热能力差等。

这些都是要在 设计时加以权衡的。

但是，对于高速发动机而言，减 少环高是活塞环发展的总趋势，存在问 题可以从材料及表面处理，结构设计等 方面努力克服的。

对于小功率柴油机， 一般气环环高 h 1 = 2～4mm ，近来还出 现环高 h 1 =1.5mm 的实例。

3.4 活塞环组合活塞环的组合，在强化发动机中特别重要，一般要求是：1 第一环要加倍强化，因为它工作条件最差，对窜气、窜油均有重大影响。