3．活塞環的斷面形狀

      隨著發動機性能的提高，對活塞環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題，而合理的選用不同斷面形狀的活塞環，對改善活塞的工作、防止氣體的泄漏和減少機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活塞側面及環開口竄到曲軸箱稱為竄氣，如圖3所示。如果發生竄氣，就有功率損失。如果竄氣過多，移動的活塞通過氣環和油環來密封。大多數發動機都使用兩道氣環和一道油環。不過，對于某些柴油機，也可以使用更多的氣環來密閉較高的壓力。

5．活塞環端隙

      當氣環置于汽缸內時，活塞環兩端有一間隙，如圖4（a）所示，該間隙指的是活塞環端隙。活塞環端隙隨著活塞環溫度的升高會變小。如果過小就會箍緊汽缸而斷裂，導致缸壁嚴重劃傷。如果活塞環端隙過大，就會導致竄氣過量。當翻修發動機時，應檢查活塞環的端隙，如圖4（b）所示。

 

圖3  活塞環壓力氣體竄氣圖

圖4  活塞環端隙檢查圖

 

6．氣環材料

      氣環由鑄鐵制成，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，脆性材料耐磨性很好。某些重載發動機和某些柴油機使用韌性鐵作為活塞環的材料。這種材料強度較大，具有抗斷裂性能，但用這種材料的成本較高。某些高質量的活塞環外側都具有鍍鉻層或鍍鉬層。鍍鉻層或鍍鉬層能夠降低活塞環與缸壁的磨損，結構如圖6所示。由于鍍鉻或鍍鉬具有這種特性，所以這種活塞環的抗斷裂時間相應延長了。

 

圖5  柴油機活塞環之氣環位置圖

圖6  鍍鉻和鍍鉬層氣環

 

二、活塞環的類型

 

1、氣環

      壓縮環有若干種類型，圖7所示為一些比較普通的類型。矩形斷面環和矩形環平貼著缸壁，錐面環改善了向下行程的劃擦能力。另一些活塞環是將角槽和倒錐面活塞環設計成了扭曲環。這些活塞環或者有導角，或者在環上加工出了沉孔。

      圖8是扭曲環原理圖。活塞扭曲環裝入汽缸后，外側拉伸應力合力F?與內側壓縮應力合力F?之間有一力臂e,產生扭轉力偶矩M,使環外圓周扭曲成上小下大錐形，使環邊緣與環槽上、下端面接觸，防止活塞環竄動和泵油。

      任何導角和沉孔都會使環產生應力。這些應力使活塞環產生輕微扭曲。這種情況只有活塞環在汽缸內受壓縮時發生。扭曲可在缸壁和活塞環凹槽內形成線接觸密封。線接觸提高了活塞環的劃擦特性和密封特性。這種情況也稱作靜態張緊。當活塞環處于某些位置時，沒有向下的壓力作用在活塞環上。這種情況發生在發動機的進氣沖程、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上。在進氣沖程中，扭曲力壓迫活塞環的底角，就像刮刀一樣刮擦缸壁。這有助于除去缸壁上過多的潤滑油。

      扭曲有助于在運轉過程中活塞環密封缸筒。在壓縮沖程中，活塞環仍保持扭曲狀態。這樣使活塞環滑過仍保留在缸壁上的潤滑油而不是將其帶到燃燒室內。隨著活塞的上升，壓縮壓力有助于使活塞環變平以利于更好的密封。在做功沖程中，燃燒室中的熱氣進入活塞環槽中。活塞環被頂出，平靠在缸壁上。這時在做功沖程中具有良好的密封，該過程也稱做動態密封。在排氣沖程中，靜態狀況再次出現，活塞環再次扭曲，扭曲使活塞環又滑過缸壁上的潤滑油。多槽和圓形或管形面活塞環也可產生線接觸，從而達到更好的密封效果。

 

圖7  各種類型的活塞環橫切面圖

圖8  活塞環扭曲環原理圖

 

2、油環

      發動機正常工作時，有大量的潤滑油被甩到缸壁上。連桿也將潤滑油飛濺到缸壁上。某些發動機連桿上有油孔，有助于將潤滑油直接飛濺到缸壁上。而缸壁上的潤滑油又有助于潤滑和減少磨損，但一定不要讓潤滑油進入到燃燒室內。油環用來刮掉缸壁上的潤滑油，還可以防止潤滑油進入到燃燒室內，并潤滑缸壁以防過度磨損。

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

      油環由二、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，其中幾個部分可能制成一體。膨脹圈用來頂著缸壁推出油環，上下軌道用來刮掉缸壁上的潤滑油，有事也將其稱為刮環。隔圈用來將兩個刮環分開。圖9（b）所示為普通形式的油環。對于某些刮環，鍍鉻部分可以提高油環的耐磨性。圖10表示了幾種發動機使用的油環以及它們是如何組合在一起的。

 

圖9  活塞環油環工作原理圖

圖10  活塞環油環的類型圖

3、活塞環基本尺寸參數要求

（1）直徑選取

      活塞環的直徑應該選擇缸內直徑的3%-5%之間。一般情況下，缸內徑越大，選擇的活塞環直徑就越小。

（2） 厚度選取

      對于鑄鐵活塞環，徑向厚度t的選取應該在0.6mm~2mm之間。厚度t越大，活塞環的強度越高，但對活塞和缸體的磨損也越大。

（3）環寬選取

      環寬應根據活塞的燃燒室形狀和噴油系統的性能來確定。環寬過窄，熱負荷會過高，容易燒蝕；環寬過寬，會造成活塞在缸內的不穩定振蕩，影響發動機的噪音和壽命。

4、直徑和厚度對活塞環的影響

（1）直徑對活塞環的影響

      直徑大小直接決定環的緊實度和摩擦力大小。如果直徑過大，則環在活塞坑內處于松弛狀態，容易燃燒室內氣體侵入，從而減小了環的密封作用；如果直徑過小，則活塞環會因松動而引起噪音和磨損。

（2）厚度對活塞環的影響

      厚度越大，活塞環的強度和密封性就越好，但也會增加與活塞和缸體之間的摩擦力，從而增加熱負荷。反之，厚度較薄的活塞環在發動機運轉時，不僅制造成燃燒室內氣體的泄漏和油浸，而且極易發生變形，對柴油機的使用壽命也會產生不可忽視的影響

 

三、活塞環安裝

 

1、安裝步驟

      當活塞環安裝到活塞上時，要注意已經選配好的活塞環只能與該缸的活塞匹配；第1道活塞環只能安裝在第1道活塞環槽內，其余各道活塞環依次類推；活塞環的安裝方向，環端有標記的一面應當朝上。可以用活塞環卡鉗安裝，也可以直接用手工安裝。

      在安裝活塞環時，要將活塞環的端口相互錯開，以減少活塞環的漏氣量。活塞環的端口不要布置在活塞裙部承受側壓力的方向（活塞的左、右兩側），不要與活塞銷軸線重合，第1道活塞環的端口應位于做功沖程側壓力較小的方向。如圖11所示，有3道活塞環的發動機，第1、2道活塞環端口之間錯開180°，第2、3道活塞環端口之間錯開90°。如圖12所示，有4道活塞環的發動機，第1、2道活塞環端口之間錯開180°，第2、3道活塞環端口錯開90°，第3、4道活塞環端口之間錯開180°。

       在安裝錐形環和扭轉環時，應注意活塞環的安裝部位和朝向：

（1）扭轉環的內圓切槽朝上，外圓切槽環的切槽則向下；

（2）錐面環的小端向上；

（3）內圓倒角的環，倒角朝上；

（4）外圓倒角的環，倒角向下；

（5）活塞環在一面標注有“上”或“0”、“△”等記號，在安裝作業時，須將有標記的一面朝上安裝；

（6）桶面環或鍍鉻環應裝在第一道環槽內；

（7）安裝組合式鋼帶油環時，應首先將襯簧裝入槽內，然后安裝上、下兩道刮片，并將兩刮片的開口錯開180°。

圖11  活塞環端口錯開示意圖（三道環）

圖12  活塞環端口錯開示意圖（四道環）

 

2、安裝工具

      活塞環是用于嵌入活塞槽溝內部的金屬環。一般活塞環安裝在活塞的環槽里，它和活塞、缸套、缸蓋等元件組成腔室做功。通常來說，每個活塞在生產之后均需安裝活塞環，但在實際中，為了實現采用機械設備自動將活塞環安裝到活塞上，通常需要將活塞先進行限位固定。

（1）活塞承載架

      活塞環安裝用的活塞承載架（如圖13所示），底板上前側、后側均對應安裝有支撐架，每個支撐架上均設有半圓形的卡槽，兩個支撐架之間具有間隙，位于前側的卡槽前端設有阻擋板，位于后側的卡槽后端設有以鉸接方式安裝在后側的支撐架上的擋門。通過插銷與插環的配合實現控制擋門的開合，繼而達到將活塞進行安裝并限位的功效，并間接起到方便后續的活塞環安裝的效果。

（2）活塞環拆裝鉗

      活塞環是許多內燃機和機泵中不可或缺的零件，然而，由于在運行過程中，經常會出現損壞。這就需要對活塞環進行拆卸和裝配。拆裝時候還存在以下缺點：結構復雜，制作難度大，同時，在拆卸時，在鉗壁的作用下，活塞環受到向外的張力，容易出現向外彈出的情況，從而出現彈傷附近工作人員的情況。且活塞環被彈出后，需到處尋找，比較麻煩。圖14所設計的活塞環拆裝工具，通過在鉗壁的外端面上連接橡膠帶，當使用拆裝鉗進行拆裝時，橡膠帶套在活塞環外，當活塞環彈出時，橡膠帶就會起一個擋板和緩沖的作用，使得活塞環不易向外彈出。結構簡單、造價低且便于攜帶，具有較高的市場競爭力。

 

圖13 活塞環安裝用的活塞承載架

圖14  柴油機活塞環拆裝鉗

 

總結：

      根據活塞環的作用和工作條件，活塞環的設計應有適當的彈力，以利初始密封；且具備易磨合且有足夠的耐磨性和抗結膠能力。活塞環設計采用彈性彎曲理論，綜合考慮環裝入活塞的張開應力和環在氣缸中的工作應力。根據這些應力的最佳比例和環材料的強度和彈性模量，實際環的自由狀態開口距離為2.5～3.5倍的環徑向厚度，環直徑/徑向厚度之比在22～34之間。康明斯公司經長期設計經驗之積累和廣泛的發動機運轉測試，得出了壓縮環、油環和環槽設計參數的推薦范圍，具體請參考康明斯柴油發電機技術手冊。

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