内燃机设计讲稿 第四章 活塞组设计
简化后：
Pgmax?kPjmax?1?a?34 ?dmax?0.09????10?mm?
lE?1?a? 实际应用时，再乘修正系数 k?1.5?15?a?0.4?
3Pgmax?kPjmax?1?a?334 则： ?dmax?0.09???[1.5?15(a?0.4)]?10?mm?
lE?1?a? 现代内燃机活塞销的最大变形量不应超过0.02~0.05mm。
活塞销变形后，销的横截面上产生弯曲应力，最大的应力是在中央断面上。该断面上下1、2、3、4点的正应力值较大，一般情况下，受拉的1、4点，以内表面4点处拉应力最大，其值为: ?4?Pgmax?kPjmaxld[0.174(1?2a)(1?a)0.636?]K (MPa) 1?a(1?a)2a 受压的2、3点，以内表面2点处压 力最大，其值为: ?2?Pgmax?kPjmaxld[0.188(1?2a)(1?a)1?]K (MPa) 1?a(1?a)2a 现代内燃机活塞销变形后的最大应力不应超过300~350MPa。
§4－5 活塞环
活塞环是内燃机关键零件之一，其工作好坏直接影响发动机性能。 一、活塞环的工作情况与设计要求
根据所起的作用的不同，活塞环可以分成两类：一类是气环，它主要是密封气体，并传导热量；另一类是油环，它主要是控制机油。
内燃机工作时，活塞环受到气体压力的作用，同时也受到惯性力和摩擦力的作用。
内燃机工作时，1气体压力、惯性力及摩擦力的作用下，导制环轴向振动；2 由于气缸内表面的失圆或锥度，使环在作轴向运动时，在径向也产生频繁的收缩或扩张，导致环的径向震动；3由于上述两个方向的震动，使环产生绕气缸中心线的回转运动；4由于环槽积碳或活塞偏斜等原因，使环在环槽中受到扭曲。
活塞环设计时，应尽量满足以下要求：具有足够的强度；应有一定的弹力：必须有很好的耐磨、耐蚀性、良好的热稳定性及足够的抗结焦能力。使环在高负荷、高转速的条件下，得到最长的工作寿命，保证内燃机能最大限度地达到高指标。 二、密封机理
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内燃机设计讲稿 第四章 活塞组设计
活塞环起密封作用的基本原理是其从自由状态收缩到工作状态时产生了弹力，此弹力使环压向气缸工作面，形成了第一密封面。当内燃机工作时，高压气体窜入活塞与气缸之间的间隙，由于第一密封面的存在，高压气体只能进入环与环槽的侧隙和环的背面。 侧隙处的高压气体将环压向环槽的下端面，形成了第二密封面。 三、活塞环的结构
活塞环的结构主要是指它的切口与断面的形式。
1、切口形式 活塞环的切口基本上有三种形式：直切口、斜切口和塔切口。 2、气环的断面形式 矩形环，锥形环，扭曲环，桶形环
3、油环的设计思想，为了保证油环的密封作用，并控制机油的消耗，在油环的设计上应从两个方面来解决；一是提高油环对缸壁的接触应力，加强刮油能力；二是提高油环的回油能力。 四、活塞环的主要尺寸
活塞环的主要尺寸是环的高度b，环的径向厚度。
目前的趋势是减少环数和减小环的高度。减小活塞环高度可减少摩擦损失；可使环适应气缸的不均匀磨损和变形，避免表面接触应力集中，提高耐熔着磨损的能力，减少往复运动质量；提高环的密封性能等。而且，窄的环也有利磨合。
活塞环的径向厚度大与活塞环对气缸壁的接触压力有关。随着径向厚度的增大，活塞环对气缸壁的接触压力使增大。但是厚度过大，应力也大，当环往活塞上安装时就容易折断；而且对气缸壁的横向变形的适应性也低。
现代内燃机其活塞环的高度约为：气环b=2~3mm，油环b=2~5mm。活塞环的径向厚度t，一般推荐的数值为：缸径D为50~100mm时，取D/t=22~24，缸径D为100~200mm时，取D/t=24~28。 五、活塞环的材料、表面处理及成形方法 1、活塞环材料
对活塞环所用材料的要求是：
（1）应具有足够的机械强度，并热稳定性好； （2）应具有良好的耐磨性； （3）应具有良好的磨合性及减摩性。 常用活塞环材料
（1）铸铁。以优质的珠光体或奥氏体和珠光体为基本结构。质量要求较高的活塞环，为了提高铸铁的机械性能及热稳定性，在铸铁中还加入适量的镍、铬、钨、钼等元素。
球墨铸铁弹性模数高，抗弯强度大，尤其是合金化后，性能更好，可用于高速强化内燃机。球墨铸铁中石墨含量，形状和分布状况如果比较合适，其耐磨性很好的，既使出现了局部熔着磨损的现象，也可由于石墨的润滑及吸油性而不致扩大。球墨铸铁活塞环对铸造技术要求高，否则达不到
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合适的组织状态。
可锻铸铁机械强度虽不如钢和球墨铸铁，但以灰铸铁高得多，这对防止环的折断是有利的。由于所含石墨数量少，这便它耐熔着磨损方面性能不如灰铸铁。
（2）钢。钢具有较高的机械强度，其主要缺点是耐熔着磨损的性能差，热稳定性也比较差。一般弹簧钢、不锈钢、氮化钢都可以作活塞环材料。如65Mn弹簧带钢可用于制造气环。它的热稳定性尚可，强度也高，可保证第一道环在强烈的冲击载荷和冷却不良的条件下，仍不致折断。采用钢环时，其外圆表面采用松孔镀铬以减少磨损。 2、表面处理：
为改善活塞环的工作性能，环应进行表面处理。
（1）以延长环的使用寿命，提高耐磨性为目的，可采用镀铬、喷钼等。 （2）以提高耐蚀性和改善环的初期磨合性为目的，可采用镀锡、磷化等。 表面处理方法：
（1）镀铬。由于铬的硬度高（HV900~1000），熔点高（1170℃），其抗磨料磨损及熔着磨损的性能好。但镀铬必须注意：铬层对于机油的附着性差，对润滑条件比较敏感。因此要求对镀层外表面进行松孔，即在镀铬表面造成沟纹或多孔性组织，以储存少量机油，有利于提高耐磨性。一般镀铬层厚度为0.08~0.15mm，松孔层约为0.04~0.06mm。
（2）喷钼：钼比铬有更高的熔点（2640℃）及相当的硬度，有高的热稳定性。由于喷钼层是多孔的，所以喷钼环比镀铬环具有更高的耐磨性，特别是抗熔着磨损方面比镀铬环优越得多。钼层厚度为0.1~0.3mm，对强化内燃机可取上限。
（3）镀锡。锡的质地软、有良好减摩性，能改善环的初期磨合性能。并具有防锈、防蚀作用。锡层厚度为0.02~0.01mm。
（4）磷化。在铸铁环表面生成0.001~0.003mm的磷酸盐薄膜。此薄膜柔软并能存油，可改善磨合性和抗拉缸性。
活塞环的制造是比较复杂的，主要与其成形的方法有关，一般常用的成形法有：
（1）单体浇铸，活塞环浇铸成自由状态形状，此时仅留有最小可能的加工余量。然后将此非圆形毛坯切断，使切口处具有自由状态所需的间隙，然后闭合切口，再加工到成品尺寸。此法生产率较高，适用于大批生产。
（2）靠模加工，首先将毛坯外圆按自由状态的形状进行靠模加工，之后接自由状态间隙切口，再将活塞环合拢，按工作状态尺寸对内、外表面及侧表面进行加工。靠模加工可以减少活塞环毛坯加工中的残余应力。
（3）热固定法，活塞环粗加工成圆形后，用薄刀片切口，并且相当于自由状态下那样大小的间隙隔片将切口分开，或把环套在一定形状的心轴上使切口分开。心轴形状相当于自由状态的理论
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形状。之后，将活塞环进行热固定，湿度为600~650℃左右，时间约一小时，这样处理的结果，活塞环的弹力消失，处于松弛状态。然后将缩小到工作状态，磨成规定尺寸。 六、活塞环的接触压力与自由状态形状 1、活塞环的自由状态
活塞环在未装入气缸时的形状称为自由形状，如果环装入气缸后，沿整个工作表面对气缸壁的压力是均匀的，则称这样的环为均压环，否则就称为非均压环。 均压环 均压环：环装入气缸后，沿整个工作表面对气缸壁的压力是均匀的。 环或低点环：切口处压力较小，切口附近压力特别大。 梨形环或高点环：切口处压力最高，压力分布成梨形。
高点环切口附近的接触压力最高，环的抗径向振动能力最强，寿命也最长。为了避免活塞环在某些点上与气缸内表面接触，切口处的压力Pmax与环的平均压力P0之比不应太高。一般取
qmax?Pmax/P0?2.25，考虑到加工误差，可取qmax?1.5~1.8。
如图在切口处的压力最高，压力呈梨形，通常称为梨形环或高点环；在切口处压力较小，适应于二冲程内燃机和拆卸后发现切口附近压力特别大的情况，并称为苹果环或低点环。 活塞环自由状态形状与环周压力分布状况有关。 等压环从自由状态变到工作状态，其中线的曲率半径ro与自由状态下半径ρ和工作时所受到的弯矩之间存在着如下的关系，即
11M?? r0?EIr。sin（Φ-α）P。=cdpdΦD-t）r。=（/2r=D/2btΦ-αφ'αM（α）式中 E——材料的弹性模数，对合金铸铁E=1.2×105MPa
I——环断面惯性矩，I=bt3/12 第 14 页 共 18 页 BB均压环的弯矩图内燃机设计讲稿 第四章 活塞组设计
当环从自由状态变成工作状态时，环上各点都产生了位移，仅有环的切口对面处不产生任何方向的移动。为此可将整个环看成是在A-A处固定的两个半环。
取任意断面B-B设它与断面A-A的夹角为α，再在断面B-B与切口之间取任一单元环段rd?，距断面A-A的夹角为?，则其上的作用力为： dP?pobrd?
dP对断面B-B产生的单元力矩为： dM?pobrd?rosin(???) 式中 r0?r?tt?r(1?) 2D 从???到???这一段上的所有单元环段作用力对断面B-B的总弯矩为： M??dM??pobrro(???)d??pobrro(1?cos?)
???? ?pobD(D?t)(1?cos?) 4bt5 因为I?，由此可得活塞环自由状态下中线上任一点的曲率半径ρ，其计算式为：
12
113poD??(D?t)(1?cos?) 3?roEt116poD??(D?t) ?roEt3 ??0时
???时 ??r0
可见，自由状态下环的曲率半径，在???处最小，在??0处最大。
将一系列的α值代入，可求得相应各点的曲率半径值，由这些值便可画出自由状态下活塞环的形状。
2、自由状态下的开口间隙
自由状态下的活塞环在受到由外向内的径向均布压力时，将闭合为工作状态下的圆形。所以，当圆形的活塞环受到从内向外的径向均布压力P0时，环也将变形成自由状态的形状。环在自由状态下的开口间隙为S0。
以矩形环为例，分析开间隙S0与均布压力之间的关系。由于对称，取半环分析之。取半圆环FC上一微段AB，它在P0作用下，由AB变形AB?为。AB的这一变形引起一切口处点C在x轴方向
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