钢质活塞环的开发和应用（DEVELOPMENT AND APPLICATION OF STEEL PISTON RINGS）

刘国丰

钢活塞环的开发和应用
钢气环
    环高
     对车用汽油机使用钢环组最显著的优点是可以降低环高,降低车用柴油机环高同样有益,但在这种场合气缸磨损增大可能是一个限制因素。
     降低第一道气环的高度对发动机的质量、尺寸、转速、排放、机油消耗和窜气来说都是有益的。对于铸铁环也可以看到有降低环高的趋势,但要进一步降低是不现实的,因为降低了环的扭曲刚度。
     在气体载荷下环在环槽内扭曲。扭曲程度对环的外圆面轮廓和环与气缸间的油膜厚度起重要影响。这种变化会引起机油消挺耗量上升的趋势。此外,扭曲改变了环侧面有关气压并还会引起动态的不稳定性（颤振）,结果引起窜气和机油消耗的增加。环扭曲和不稳定性更为不利的影响是使环的侧面和环槽磨损,降低了发动机的使用寿命。
　   正确设计钢环能克服所有这些问题而获得如下好处：
     (1)降低活塞的压缩高度。这样减小了往复质量,随之也可减小发动机其它零部件的质量,除了使发动机高度降低以外,还可减轻发动机质量,从而提高发动机效率。
     (2)降低机油消耗,采用T&N技术公司的环组模型研究第一道环的高度对机油消耗的影响,理论分析结果见图1。用发动机试验进一步验证预测的趋势。虽然对于不同的发动机和环组效果各不相同,但是减小环高能改善机油消耗的趋势是不变的。
     (3)减小死区容积。第一道环上面和后面的“死区”,容积直接关系到碳氢排放。环高从1.5mm减小到1.2mm就能显著减小“死区”容积。如在常温下对于典型的76mm汽油机活塞第一道环减小0.3mm,第一道环后面的“死区"容积就减小20%,总容积减小10%。精心设计的钢环截面形状和环槽可使第一道环后面的“死区"容积减小40%,相当于常温下总容积减小20%。这是通过降低环的径向厚度公差和环与环槽圆角半径的匹配间隙所获得的（见图2）。
     (4)减小摩擦。在充分润滑条件下,在任何给定的壁面压力下,第一道环的摩擦大致与环高成正比。因此环高从1.5mm减小到1.2mm,第一道环的摩擦就会减少20%。
     (5)改善动态性能。影响环组动态性能有许多因素,包括环的开口间隙尺寸、开口端倒角尺寸、环的外圆面和环岸以及嵌入体。然而,一般的设计准则是当活塞加速度增加时通常必须降低第一道环的高度。在某一种用途中通过把第一道环高度从1.5mm减小到1.2mm,所获的效果见图3。

     钢环的分类研究
      要用钢所具有的长处来满足第一道环的所有要求就必须对钢环的类型和外圆面镀层进行分类研究。表1展示了这种分类,而图4则粗略地说明了有关特征。钢环的所有优点最充分地体现在碳氮共渗处理钢环上,如下所述。

      1 低磨损率和长寿命
      表2列出在1.1L汽油机上采用1.2mm高度的环在I000h耐久循环试验后的磨损结果。从中可见环、环槽和气缸磨损都很小。环的外圆面磨损大约是电镀铬环的一半。表3列出了在1.6L车用柴油机上采用1.5mm高度的环进行1000h耐久循环试验后的磨损结果。应该说明这种型式柴油机的这种循环的标准验收试验时间为750h,而标准产品活塞环的高度为2.0mm,并镀钼。所有磨损值都很小,比传统的活塞环有显著改进。在柴油机中采用降低高度的环有时发现气缸磨损增加,即使这样仍比传统的环组预计值为低．碳氮共渗环的内在寿命很长。常规规范的硬度曲线示于图5,从中可见碳氮共渗环硬化深度比常规铬环大.结合提供的磨损率数据预计寿命至少是镀铬环的两倍。其实采用碳氮共渗产生的保护层可以改变以适用于各种需要更长寿命的地方。

      2 先进的生产流程
      生产钢环的AE活塞产品公司和T&N技术公司共同研制了数控卷绕机,在该机床上可精细调整活塞环的自由形状以适用于具体发动机的运转状况和温度,这种机床可适用于所有多类钢环,这对于碳氮共渗是最至关重要的。原因是用镀铬或喷镀钼的活塞环，后面的生产工艺具有掩盖小的形状变化的可能性,最终生产出在室注下压力大致均匀的环.然而对于碳氮共渗活塞环这种可能性要小得多。

      3 小的外困面和开口端倒角
      外圆面下边缘和开口端的倒角对窜气有重要影响,是形成窜气泄漏通道的主要原因,因而减小倒角就能减少窜气。图6给出常规倒角镀铬环、锐边镀锚环和碳氮共渗环泄漏通道的比较。由图可见碳氮共渗环泄漏通道与锐边镀铬环大体相等,从而很好地控制了窜气。

      4 抗拉缸性
      碳氮共渗钢环与电镀铬环相比有更优越的抗拉缸性,因此,在用镀钼环很勉强的地方都可改用碳氮共渗环,因为碳氮共渗环的外圆面有更多的优点,当发动机在异常运转条件下发生拉缸时造成的损坏较轻,而一旦恢复正常运转条件会使刮痕迅速合拢.

钢油环

     由两个钢刮片构成并分别由钢撑簧压向气缸的钢油环在车用汽油机上已使用多年.本文将论述传统多片环的研制过程和在性能方面的得益。另外还提出一种背面有撑簧的顺应性好的钢油环来取代铸铁环。现代车用油环的主要目标可概括如下：机油消耗低、摩擦损失低、环高低、寿命长。为了满足这些要求进行了综合试验研究,充分考虑了活塞环、活塞、气缸和润滑系统之间的相互影响。接着分段考虑有助于达到这些目的的钢油环研制,作为综合研究部分。

    多片组合环
     AE活塞产品公司生产名为Hepoflex和AEconoform的多片组合油环见图7和图8.表4表明设计的演变对环的顺应性、摩擦和环高的效果。从中可见在顺应性和摩擦方面取得显著效果的同时降低了机油消耗量。图9是2.5mM的AEconofor环1000h耐久试验的结果。
     尺寸较大的表式Hepoflex油环的摩擦损失也比顺应性好的铸铁环低。在车用柴油机上的试验结果示于图10,由图可见在规定的切向弹力作用下直HePorie油环具有较低的机油消耗,因此机油消耗和摩擦同时得到改善。
     过去,由撑簧和两个刮片组成的油环由于寿命问题而不能用在柴油机上,而今,强化了刮片外圆面镀锋层,对内壁进行镀铬防护,并且正确设计撑簧,这样使这种油环获得了足够的耐久性。进一步研制工作是采用碳氮共渗刮片,以获得更长的寿命和防止与气缸接触的外圆面磨损和与撑簧接触的内表面磨损。

     顺应性好的钢油环
     众所周知背面装有撑簧顺应性好的钢环是在铸铁环基础上合理研制成的（见图11）。钢环的基本功能与类似的铸铁环相似,而钢环具有如下优点:
     (1)改善了负荷时环侧面的唤不平度。传统的顺应性好的环通过锯齿糟的刮油边之间形成机油回流通道。在螺旋弹簧作用下在锯齿槽处环的侧面会凸起。钢环采用预先制成的窄锯齿槽泄油,基本上消除了侧面凸起现象。在运转中改善了侧面密封性和机油消耗。
     (2)减小环岸尺寸和变化。由于钢环的制造精度高,可减小在气缸中工作的环岸尺寸和公差。这一点的效果是减小在规定壁面压力下的摩擦和性能的变化。
     (3)降低弹簧与环之间的磨损。减小锯齿槽宽度和钢环内侧形状的设计使弹簧得到较好的承载面,于是降低了磨损。这就增加了总成的寿命。


　



　

　


　

修车-徒

很详细，可惜就是看不到图形