发动机活塞环是如何设计出来？？！！！

lanr006

活塞环是怎样设计的，我现在只知道的它是一个曲圆。想了解下它是用的方法来计算出来。也就是仿形凸轮是什么设计，计算的，可有公式？望有这方面经验的朋友能帮下。

xhy7249

活塞环是椭圆，在装入缸体内要正圆，而且弹力分布也有不同要求，设计主要采用金茨布尔格公式，凸轮和反凸轮参数是各厂家秘密，但可以看看内燃机配件杂志上有部分相关文章。

hainan

汽车设计手册大概提到一点
但是没有计算公式
张力确实是计算出来的
结构已经是成熟的了，好多类似的产品
难点在于材料和工艺
主机厂给的图纸只标缸内直径、开口间隙、自由开口间隙、张力、厚度、径向厚度等要求
但是更多的由专业厂家控制，比如上面说的椭圆，就是实现张力值的

刘国丰

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。
侧隙 闭口间隙  侧面光洁度
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。
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。
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。
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。
4 氧化处理
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。
切向弹力  Ft
               E•h1（m-S1）
Ft = ────────— K1•K2（kgf）
      14.14(d1/α1-1)3
              2 Ft
P0 =  ───      MPa
              ｈ0 d1

douglasye

为什么活塞环是椭圆而装入缸体内要正圆？
是不是说活塞环在自由状态下是椭圆的、缸体在受热前是正圆？

xutao0814

应该有计算公式，不过这是人家的秘密，所以一般人不会知道的

xutao0814

因为装入缸体后要密封的，所以要正圆，如果是椭圆怎么密封

jackheqq

这种问题也就是太麻烦了，只有自己去查阅资料，很多都有的，都是经验公式

wish252

活塞的设计在《发动机设计》里面有具体步骤。建议去看看

刘国丰

1 活塞环的计算
11.径向压力P
活塞环在自由状态下不是圆形，其曲率半径沿环周各点是变化的，且大于气缸半径，只有当装入气缸后方成为正圆形。环装入气缸前的形状称为自由状态，环的自由状态决定环装入气缸后的径向压力分布。
径向压力分布大致可分为：均匀分布（等压环）、梨形分布（高点环）和苹果型分布（低点环）三种。
1 等压环
等压环从自由状态变到工作状态后，沿环周的径向压力是均匀分布，即P0=const。等压环由于使用后磨损等原因，环周压力分布恶化，在开口处的径向压力急剧下降，所以使用寿命短，一般使用于二冲程中速发动机。
2 高点环
高点环开口处的径向压力P高于平均径向压力P0，P：P0 可达3：1。能提高环开口端的减震能力，耐磨性和气密封好。现代高速四冲程柴油机和汽车发动机广泛应用高点环。
3 低点环
低点环主要用于二冲程柴油机和大型柴油机，开口处的径向压力低于平均径向压力，以防止环端跳入气口使环折断，或者是为了矫正热变形的影响，以保证均匀贴合。


1.2.工作状态下活塞环的闭口间隙S1
闭口间隙一般按GB/T1149选取，或按产品图纸要求而定，但最小间隙必须大于下式计算值 。
S1 = πd1αΔt     ( mm)
式中：d1—缸径，mm；
       α—热膨胀系数，合金铸铁按α= 1.1×10—5/℃；
       Δt—温差，气环为100℃，油环为80℃
1.3.切向弹力Ft
切向弹力是在环的切口处径向厚度中点上沿切线方向施加力，使环从自由开口尺寸压缩到闭口间隙时所需的力。
尺寸系列的切向弹力值仅适用于平均弹性模量E=100000 N/mm2材料（即非调质铸铁环），其它材料则按弹性模量E由表3-7修正系数乘以尺寸系列表的切向弹力值即可。
镀铬或喷钼活塞环的切向弹力修正系数为表3-7推荐值的0.9倍。
表3-7
活塞环材料        平均弹性模量N/mm2        切口弹力修正系数
调质铸铁
球墨铸铁
钢        112776
156906
196200        1.15
1.6
2
切向弹力  Ft
E•h1（m-S1）
Ft = ────────— K1•K2（kgf）
14.14(d1/α1-1)3

式中：E—弹性模量，kgf / mm2；
h1—环高，mm；
m—自由开口，mm；
S1—闭口间隙，mm；
d1—缸径，mm；
α1—径向厚度，mm；
K1——断面减弱系数；
K2—表面处理对弹力减弱系数。
镀铬环一般取8%～11%，球铁环取8%，
合金铸铁对铬层厚度小于0.12 mm，径向弹力小于3㎏f的取11%，其余均取10%。
活塞环设计时，首先确定切向弹力，然后再决定环的自由开口尺寸。高速发动机活塞环设计通常用改变环的径向厚度方法来调节环的弹力。
1.4.平均比压 P0
比压P0是活塞环设计的重要参数之一，比压选择适合与否，将直接影响活塞环的密封性、摩擦损失、耐磨性。比压过高，磨损加剧导致缸套磨损严重；比压过低，环密封性差，最终导致烧机油，加剧磨损，抗振性差，易产生断环。 一般选择原则：合金铸铁为1.5～2㎏f/㎝2，球墨铸铁为1.5～2.5㎏f/㎝2。

                                    2 Ft
P0 =  ───      MPa
                                    ｈ0 d1
  式中：ｈ0—环外圆面与气缸壁的接触高度，等于刮片数量与刮片高度的乘积，mm
         Ft—切向弹力，N
         d1—缸径，mm
1.5.自由开口尺寸m
自由开口尺寸指在自由状态下，环开口两端径向中点的弦距。它的大小既要满足活塞环弹力的要求，又要满足工作应力和安装应力的要求，m值过大，工作应力较大，会造成较大的弹性消失，m值过小，会产生较大的安装应力造成断环，或过度变形失去圆度。
一般，合金铸铁气环和整体油环m/ d1=13～14%，最大不超过16%；球铁环m/ d1=8～11%，最大不超过12%；内撑弹簧组合油环比相应平环小4-5mm。
1.6.活塞环的工作应力和安装应力
               E•α1（m-S1）
工作应力σ1 =  ───────  ㎏f/ mm2      
              2.35（d1-α1）2

               Eα1 (8α1- m)
安装应力σ2 =  ──────── ㎏f/ mm2
               2.35（d1-α1）2

  式中：E—弹性模量，㎏f/ mm2 ；
               α1—径向厚度，mm；
        m—自由开口尺寸，mm；
        S1—闭口间隙，mm；
        d1—缸径，mm。
按有关标准规定，合金铸铁σ1＜25㎏f/ mm2，球墨铸铁σ1＜40㎏f/ mm2， 但实际σ1值可大于上述值，合金铸铁为30㎏f/ mm2， 球墨铸铁为50㎏f/ mm2。 合金铸铁σ2≤50㎏f/ mm2，球墨铸铁σ2≤80㎏f/ mm2。
2. 油环的设计
气环的设计原则，对于油环完全适用。
设置油环的作用就是刮下缸壁上多余的机油，使缸壁上留下一层均匀分布的机油油膜，保证机器可靠工作。
设计油环时应考虑到消除活塞环的“泵油作用”，主要措施是：
1 减少油环和活塞环槽之间的端面间隙，使泵入活塞环和环槽空间的机油量减至最少，一般油环端面间隙为第一道气环端面间隙的1/3～1/2。
2 油环对缸壁的径向压力应比气环要高，一般为0.3～0.4 MPa甚至更高。这是因为油环基本上没有环背压力帮助密封，它的密封材料性能靠自身弹力的作用，这在设计和制造时要加以考虑。
3 油环上开有回油孔，所以油环高度比气环要高。
4 油环和环槽各部分配合间隙，都比气环要小。
5 油环的数目为1～2个，对高速强化发动机现大都采用一道油环。
6 回油通路应有足够的流通面积，回油孔面积通常要求每厘米环周长不小于0.2㎝2。
7 油道应光滑以保证回油畅通。例如在油孔或油槽处涂复聚四氟乙烯，这种材料摩擦系数小，附着杂质能力低，可避免杂质堵塞油道。


钢带组合油环已获广泛应用，其优点是：
1 可以获得较高的表面接触压力。普通铸铁油环一般为1.5～3.0㎏/㎝2；而钢带组合油环可达10～15㎏/㎝2；
2 钢片具有柔软性，二片刮片可独立工作，以适应气缸不均匀磨损和活塞摆动的影响，保持良好的刮油能力；
3 回油通路面积大；
4 环重量轻，仅为铸铁油环的一半。

草原飞鹰

10楼大哥的资料介绍得很详细，谢谢分享。