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活塞环的种类区分和作用及工作原理(图解)

活塞环主要分为气环和油环两种。

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活塞环的作用

气环的作用是保证气缸与活塞间的密封性,防止漏气,并且要把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁,由冷却水带走;油环起布油和刮油的作用,下行时刮除气缸壁上多余的机油,上行时在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜。这样既可以防止机油窜入气缸中燃烧掉,又可以减少活塞与气缸壁的摩擦阻力。此外,油环还能起到辅助封气的作用。

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活塞环的工作条件及性能要求
活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用,温度较高(尤其是第一环,温度可达600K)。活塞环在气缸内做高速运动,加上高温下部分机油出现变质,使活塞环的润滑条件变差,难以保证液体润滑,磨损严重。因此,要求活塞环弹性好,强度高、耐磨损。


活塞环的间隙
活塞环会在发动机运转过程中与高温气体接触发生热膨胀现象,而周期性的往复运动又使其出现径向胀缩变形。因此,为了保证正常的工作,活塞环在气缸内应该具有以下间隙。

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d—活塞环内径;B—活塞环宽度


■ 端隙又称开口间隙,是指活塞环在冷态下装入气缸后,该环在上止点时,环的两端头之间的间隙。一般为0.25~0.50mm。

■ 侧隙又称边隙,是指活塞环装入活塞后,其侧面与活塞环槽之间的间隙。第一道环因为工作温度高,间隙较大,一般为0.04~0.10mm;其他环一般为0.03~0.07mm。油环侧隙比气环小。

■ 背隙是指活塞环装入气缸后,活塞环内圆柱面与活塞环槽底部间的间隙,一般为0.50~1.00mm。油环背隙较气环大,有利于增大存油间隙,便于减压泄油。


活塞环的泵油作用
由于侧隙和背隙的存在,当发动机工作时,活塞环便产生了泵油作用。其原因是,活塞下行时,活塞环靠在环槽的上方,活塞环从缸壁上刮下来的机油充入环槽下方;当活塞上行时,活塞环又靠在环槽的下方,同时将机油挤压到环槽上方。如此反复运动,就将缸壁上的机油泵入燃烧室。由于活塞环的泵油作用,使机油窜入燃烧室,会使燃烧室内形成积炭和增加机油消耗,并且还可能在环槽(尤其是第一道气环槽)中形成积炭,使环卡死,失去密封作用,甚至折断活塞环。
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气环

气环的密封机理
活塞环有一个切口,且在自由状态下不是圆环形,其外形尺寸比气缸的内径大些,因此,它随活塞一起装入气缸后,便产生弹力而紧贴在气缸壁上。

活塞环在燃气压力作用下,压紧在环槽的下端面上,于是燃气便绕流到环的背面,并发生膨胀,其压力下降。同时,燃气压力对环背的作用力使活塞环更紧地贴在气缸壁上。压力已有所降低的燃气,从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时,又把这道气环压贴在第二环槽的下端面上,于是,燃气又绕流到这个环的背面,再发生膨胀,其压力又进一步降低。

如此继续进行下去,从最后一道气环漏出来的燃气,其压力和流速已经大大减小,因而泄漏的燃气量也就很少了。因此,为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置,就足以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。

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气环的断面形状及各环间隙处的气体压力

■ 气环的切口

气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口,因此,切口的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响,切口间隙过大,则漏气严重,使发动机功率减小;间隙过小,活塞环受热膨胀后就有可能卡死或折断。切口间隙值一般为0.25~0.8mm。第一道气环的温度最高,因而其切口间隙值最大。

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气环的切口形状
直角形切口工艺性好;阶梯形切口的密封性好,但工艺性较差;斜口形切口,斜角一般为30°或45°,其密封作用和工艺性均介于前两种之间,但其锐角部位在套装入活塞时容易折损;图中(d)为二冲程发动机活塞环的带防转销钉槽的切口,压配在活塞环槽中的销钉,是用来防止活塞环在工作中绕活塞中心线转动的。

■ 气环断面形状

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气环的断面形状

■ 矩形环的优点是结构简单、制造方便、散热性好、废品率低;缺点主要是有泵油作用,容易造成机油消耗量过大并有可能形成燃烧室积炭。另外,矩形环的刮油性、磨合性及密封性较差,现代汽车基本不采用。

■ 锥面环的优点是与气缸壁的接触为线接触,密封和磨合性能较好,刮油作用明显,容易形成油膜以改善润滑;缺点是传热性能较差。锥面环主要应用在除第一道环外的其他环。

■ 扭曲环是当代汽车发动机广泛应用的一种活塞环,主要是因为扭曲环除具有锥面环的优点之外,还能减小泵油作用,减轻磨损、提高散热性能。安装扭曲环时应特别注意:内圆切槽向上,外圆切槽向下,不能装反。

■ 梯形环的主要优点是能把沉积在环槽中的结焦挤出,从而避免了活塞环被黏结而出现折断,同时其密封性能优越,使用寿命长;缺点主要是上下两端面的精磨工艺较复杂。梯形环在热负荷较大的柴油发动机上使用较多。

■ 桶面环的优点是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜以改善润滑,对活塞在气缸内摆动的适应性好,接触面积小,有利于密封;缺点是凸圆弧面加工困难,多用于强化柴油发动机的第一道环。

油环

油环分为普通油环和组合油环两种。

普通油环是用合金铸铁制造的。其外圆面的中间切有一道凹槽,在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔或狭缝。油环上唇的上端面外缘一般均有倒角,可以使油环向上运动时能够形成油楔。机油可以把油环推离气缸壁,从而易于进入油环的切槽内。下唇的下端面外缘不倒角,这样向下刮油能力较强。鼻式油环和双鼻式油环的刮油能力更强,但加工较困难。
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油环及其刮油作用


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油环的断面形状

对于由三个刮油钢片和两个弹性衬环组成的组合式油环,轴向衬环夹装在第二、第三刮油片之间,径向衬环使三个刮油片压紧在气缸壁上。这种油环的优点是,片环薄,对气缸壁的比压(单位面积上的压力)大,因而刮油作用强;

三个刮油片是各自独立的,故对气缸的适应性好;重量轻;回油通路大。因此,组合油环在高速发动机上得到较广的应用。

其缺点是制造成本高(片环的外表面必须镀铬,否则滑动性不好)。

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