【Citation】Lin Manufacturing Technologies for Piston Ring[J].Automotive Digest（Chinese）,2019（8）：10-13.

0 前言

活塞环根据工作时发挥的作用的不同可分为气环和油环。气环可以密封燃烧室内的可燃气体并将活塞顶部大部分热量传至气缸壁达到冷却的目的[1]；油环的作用有很多，但主要的还是阻挡机油进入燃烧室。活塞环在燃烧室内随着活塞做往复运动，受到高温、高压燃气的侵蚀并与缸套产生激烈的摩擦，据统计，三分之一的燃油消耗都是由摩擦[2]消耗的，因此摩擦磨损一直被认为是影响内燃机燃油效率的关键因素，其中，活塞环与缸套接触产生的摩擦在内燃机中摩擦占比超过50%，一直被认为是汽车发动机中最重要的摩擦部件之一[3]，且活塞环与缸套接触时，严重摩擦磨损甚至会导致燃气泄漏，导致发动机怠速不稳定，工作环境极其恶劣[4-5]。良好的活塞环需要有较高的耐热性、耐磨性和工艺性能，对于具有良好使用性能的活塞环研发一直是活塞环制造业的重点、难点，加之要求现代内燃机具有更高效率、更高载荷、更高速度和更高寿命的特点，因此，急切要求研究具有更高使用性能的活塞环。目前，活塞环制造技术研究的重点主要集中在改进活塞环外形，优选活塞环材料以及开发新的活塞环表面处理技术方面等。

1 活塞环外形

1.1 气环外形

相对于油环来说，气环工作时受到的最高温度可高达600 K，工作环境比较恶劣，以至其使用寿命较短。

气环外形种类较多，如图1[6-7]所示，其中，矩形断面环的散热性能、工艺性能以及经济性能均较佳。但其耐磨性、密封性较差，在工作状态下，会把气缸壁上的机油不断送入气缸中，导致机油在燃烧室内因高温燃烧生成积碳，不仅增加了机油的消耗量，还可能使环槽中的积碳造成卡环或折断等现象。因此，高速、高负荷的强化内燃机上一般不采用矩形断面环，而较多的运用于中速发动机中。非矩形断面的扭曲环在工作时通过挤压变形极大的改善了泵油效应，因此得到了广泛的应用。锥形环有良好的刮油作用，可用于高速发动机。梯形环的抗胶结能力最好，但上、下两面工作面需要精磨，且工艺比较复杂。桶面环是上世纪七十年代兴起的一种新型结构，它对环壁间的油膜有良好的维持效果，从而大大降低机油消耗[7]；目前，在桶面环的基础上做改进，采用不对称桶形气环，它可以在改善气缸油膜形成的同时减小接合面上的压力，避免机油从结合面的上端进入燃烧室，保证密封性。

图1 气环断面形状图[6-7]

气环宽度决定了气缸油膜的厚度，环的宽度与其产生的气缸油膜厚度成正比，使用较宽的气环，可以改善上止点附近气缸的磨损，但会给整个活塞组件带来较为不利的惯性效应；而使用较窄的环可提高与环槽侧壁的适应性，但容易发生断裂。因此，选择活塞环的宽度需要考虑各方面需求，以满足不同需求时的使用。

如今，仿形加工技术的应用大大优化了活塞环形状的适应性能。目前一种行之有效的方法是结构温度数值耦合法，这种方法通过数学模型描述活塞环所经历的温度变化，并以此为基础设计活塞环的形状。首先通过实验数据获得材料随温度的形变规律，再根据该规律设计常温下的最佳温度变形状态，借此获得最佳的活塞环接触状态。

1.2 油环外形

油环分为普通式油环和组合式油环两种，普通式油环的单体油环受力情况、刮油性能以及使用寿命均较差，严重时还会出现机油进入燃烧室等情况；带波形板衬簧的组合式油环受力情况良好，主要应用于某些小型的汽油机；带有螺旋形式衬簧的组合油环受力情况最佳，油环随活塞来回做往复运动时，刮油能力强，能有效带走缸壁上的机油，通常将螺旋衬簧的组合油环用于车用柴油机，也有少部分用于车用汽油机，但油环外表面与环背面均需要镀铬以减少磨损。对于组合式而言，钢片组合式油环克服了单体油环机油上窜的缺点，且缸壁发生变形之后对其影响不大，刮油性能也较好，普遍用于高速汽油机，但其磨损较严重，高速柴油机上一般不采用。

如今，柔性油环普遍使用在中速发动机上，其弹簧特性使得油环在磨损后受力情况不会发生太大的改变，气缸的油膜分布比较均匀，使用时效果最好。油环台肩采用仿形磨削加工后，油环台肩宽度的公差减小一半，侧压力的变动范围明显减小，机油消耗也大大减少。

文章来源：《现代制造技术与装备》 网址: http://www.xdzzjsyzb.cn/qikandaodu/2020/1001/620.html