活塞环设计制造.doc

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1、活塞环课题探讨背景及部分简介现代汽发动机具有更高的功率和更低的燃油耗，并进一步减少汽车交通对环境的负担，要求机功率越来越高，而放法规不断加严，并要求在降低维修成木的同时，延长发动机的使用寿命，这一切都对现代发动机的活塞环，特别是第-•道压缩环，提出了越来越高的要求。为此我们组对活塞环做了相应的资料收集研究，期待对此有所帮助。汽油机和柴油机制造商都要花费更多的研发费用，零部件供应商在汽油机和柴油机活塞环具有重要功能特性的基础材料、耐磨性和结构等方面进行了深入的研究，为实现这些ri标要求作出了重要的贡献。活塞环的

2、重要任务主要在于：•密封;•在确保耐烧蚀强度的同吋具有良好的热传导性；•控制机油耗；•通过应用适合批量牛产成本的材料、涂层、结构和牛产工艺，限制磨损率，延长发动机的使用寿命。确保功能的设计特点1.基本材料当今活塞环应用各种詁质的铸铁材料和钢。首先考察铸铁材料，按照用材料强度、延仲率、疲劳强度和耐磨性等指标表征的承载能力，可选用的铸造品质的全部范围见表1。对于第-•道压缩环应特别优先选用-•种具有高抗弯强度和弹性模数的球墨铸铁，其基体为马氏体，以获得高的硬度，可使侧面具有较好的耐磨性。第二道活塞环能应用无镀层环

3、，开发了--种在调质热处理状态下呈现细化片状组织铸造詁质的材料，通过牛成钮、饥、猛和钩元素的特殊碳化物，以及马氏体基体组织，以获得良好的耐磨性。而GOE44可锻铸铁是-•种在细化珠光体基体组织屮有针对性地牛成残余碳化物成分的材料，能将高抗切向力强度与良好的耐磨性结合起来。由于对材料强度和疲劳强度以及良好耐磨性的要求越来越高，现在趋向于进一步优化球状石墨的牛成，以便在静态（装配状态）和动态负荷下获得特别高的抗弯强度，同时用贝氏体基体组织来获得活塞环侧而和工作表而较低的磨损率。由于汽油机和柴油机活塞结构高度降低，

4、压缩环的轴向高度和应减小，特别是面对20MPa气缸爆发压力，对机械结构的要求越来越高，这一切都要求提高活塞环侧面的强度和耐磨性。钢材料特别适合于这些要求。与铸铁材料相比，钢具有良好的机械动态承载能力，因此在弯曲负荷增人的情况下具有高的疲劳强度。当然，通过表面镀层和表面处理的效果可部分地缩小铸铁和钢Z问动态强度的差异。试验表明，通过附加的化学处理（CPS法）可使氮化钢活塞环的动态强度提高大约30%。首先应用含鎔量为13%或18%的高珞马氏体钢，这种材料通过牛成精细分布的铭碳化物和附加牛成的渗氮层使表面层硬度明显

5、提高，从而获得良好的耐磨性。如果要使用调质处理的Cr・Si低合金钢的话，则环工作表而镀层是必需的。在最近15年内，全世界汽油机第1道压缩环都由铸铁环改用钢环，其屮特别是欧洲和日本偏爱于氮化钢环（表2）。在汽油机高转速的使用条件下，现在轴向高度低的第1道钢环已成为标准零件，在此期间开发的发动机的第1道环超过90%采用氮化钢环，而第2道环大多数采用成本较低的铸铁环，并根据各口的功能要求选择相应的结构型式和工作表面涂层。在欧洲轿车柴油机，即升功率大于50kW/的高负荷发动机上，第1道压缩环必须使用牌号为52/56的

6、球墨铸铁，第2道环采用牌号为32的调质耐磨灰铸铁（表3）。通过采用强化的球墨铸铁（GOE56）或含銘18%锯钢来改善活塞环侧面特别是上侧面的耐磨性。当然，特别是在环轴向高度低的情况下，钢环色含着环槽磨损增大的风险，但是在每种情况下槽和环侧面总磨损量的差异并不大。在柴油机上，由于活塞环的轴向高度较高，其材料向钢变化的倾向并不明显。这一方面是因为铸铁环和环槽镶圈材料之，间的材料配对非常好，另一•方面是因为铸铁材料具有非常良好的加工性。原则丄，商用车柴油机第1道压缩环使用球墨铸铁已有菲常丰富的经验，这从球墨铸铁环在

7、欧洲柴油机上占有很高的分额就反映出来了（表3）。但是，自从上世纪60年代以来，具有非常低轴向磨损的含珞18%銘钢镀层压缩环在商用车柴油机上的应用也具有相当丰富的批量牛产使用经验。此外，随着气缸爆发压力明显超过20MPa,可望钢活塞环的应用会有所增长。2.活塞环的结构型式汽车汽油机第1道活塞环100%采用矩形环，其工作表面根据有关机油耗和曲轴箱通风方面的要求，采用对称球形、单边球形或锥形。大约30%的欧洲轿车汽油机，为了改善机油消耗，工作表面不是带有单边鼓形度就是带有锥度。轿车柴油机大部分第1道活塞环同样也采用

8、矩形环。在最近25年内，轿车柴油机第1道活塞环采用双梯形环的份额稳定在大约30%。随着气缸直径的增大,由于燃烧侧的影响，双梯形环的份额也随之增加。3.活塞环的轴向高度在最近20年过程屮，全世界汽油机第1道压缩环明显趋向于低轴向高度（图3）。由于发动机转速的提高和由此而导致的活塞质量的减轻或尺寸的缩小，活塞环高度的降低在技术上是必要的。对于第1道活塞环必须应用轴向高度低的环而言，开发氮化钢环是一个前提