发动机活塞环的影响因素及减磨措施

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活塞环是发动机的关键零件之一，它的工作直接影响发动机的性能。同时，活塞环是易损件，所以在修理活塞环时，通常是将活塞吊出。因此，修理或更换活塞环的时间通常被视为发动机的第一次大修周期。

近年来，由于发动机向高速化和强化方向发展，活塞环的工作条件越来越苛刻，对其耐磨性提出了更高的要求。

活塞环的磨损及其影响因素

汽车发动机活塞环与气缸套之间的磨损具有以下特点:

1.活塞环在上死点和下死点之间往复运动，速度从静止状态变化到最高约30m/s，因此它反复变化很大。

2.往复运动时，气缸压力在工作循环的进气、压缩、做功和排气冲程中变化很大。

3.由于燃烧冲程的影响，活塞环经常在高温下运动，尤其是第一个气环。在高温、高压和燃烧产物的化学作用下，油膜难以建立，难以实现完全润滑，并且往往处于临界润滑状态。

根据磨损机理，活塞环磨损可分为正常磨损、融合磨损(擦伤、擦伤)、磨粒磨损和腐蚀磨损。然而，这些磨损现象不是单独出现的，而是同时存在并相互影响的。根据磨损部位，活塞环磨损可分为滑动面磨损和上下端面磨损。一般来说，滑动面的磨损大于上下端面的磨损，滑动面主要是融合磨损和磨粒磨损；上下端面主要是活塞往复运动造成的冲击磨损。

活塞环滑动面的最大磨损往往发生在气缸的上止点，因为油膜被高温气体破坏，造成易熔状态，从而加速活塞环的磨损。通常，所谓的正常磨损实际上包括轻微熔化磨损和磨损。每个环的滑动面磨损量不同。第一气环的磨损量最大，第二气环的磨损量约为第一气环的一半，油环的磨损量最小。例如，安装在斯太尔wd615发动机上的活塞环经过500小时的可靠性试验后，第一个气环开口的间隙磨损为0.4 ~ 0.6毫米，第二个开口的间隙磨损为0.25 ~ 0.4毫米，油环开口的间隙磨损为0.3 ~ 0.55毫米。但是，有时油环的磨损大于中间环的磨损，这受润滑油在气缸表面分布和杂质吸附的影响。

活塞环上端面和下端面的磨损主要是由于机油中的硬残留物与大气中混合的燃油和灰尘颗粒形成的机械研磨，这基本上是磨损。然而，当活塞发生异常热变形并且环槽的侧间隙变小时，也可能发生熔化磨损。

影响活塞环磨损的因素很多，其中活塞环的材料和形状、缸套活塞的材料和结构、润滑状态、发动机的结构形式、工况、燃油和润滑油的质量是主要因素。当然，在同一个气缸中，润滑状态对活塞环的磨损影响最大。可以说，活塞环的磨损很大程度上取决于润滑状态。环空之间的理想润滑是两个滑动面之间有均匀的油膜，但这种情况实际上并不存在，特别是第一个空气环，由于高温的影响，很难建立理想的润滑状态。

活塞环的减磨措施

影响活塞环磨损的因素很多，而且这些因素往往相互交织在一起。另外，随着发动机类型和使用条件的不同，活塞环的磨损也有很大的不同，所以这个问题不能仅仅通过改进活塞环的结构和材料来解决，而主要从以下几个方面来解决:活塞环和气缸套的材料及其良好的匹配；表面处理；结构状态；润滑油和添加剂的选择；气缸套和活塞在装配和操作过程中因受热而变形。

材料、结构和表面处理的措施主要讨论如下。

1.选择匹配性能良好的材料

就减少磨损而言，作为活塞环的材料，它必须具有良好的耐磨性和储油能力。一般来说，第一气体必须比其他环磨损更多。因此，特别需要使用能够保持油膜不被损坏的材料。石墨结构铸铁被重视的原因之一是它具有良好的储油性能和耐磨性。

为了进一步提高活塞环的耐磨性，可以在铸铁中加入不同种类和含量的合金元素。例如，目前广泛应用于发动机的铬钼铜合金铸铁活塞环在耐磨和储油方面具有明显的优势。

总之，活塞环所用的材料最好是形成一种合理的软硬相间的耐磨结构，使活塞环在初次磨合时容易磨损，磨合后不易磨损。

此外，与活塞环匹配的气缸材料对活塞环的磨损也有很大影响。一般来说，当硬度差为零时，磨削材料的磨损最小，磨损随着硬度差的增大而增大。但是，在选择材料时，最好在两个零件都具有最长寿命的前提下，使活塞环比气缸更早达到磨损极限，因为更换活塞环比更换气缸套更经济、更容易。

对于磨损，除硬度外，还必须考虑活塞环材料的弹性影响。坚韧的材料不易磨损，并且具有高耐磨性。

2.改进的结构和形状

在过去的几十年里，国内外对活塞环的结构进行了许多改进，最显著的成果是将第一个气环改为筒形环。由于桶面环具有一系列优点，就磨损而言，无论桶面环是向上还是向下移动，润滑油都可以通过油楔使环浮动，保证良好的润滑。此外，铲斗面环还可以避免边缘负载。目前，桶面环已被广泛用作强化柴油机的第一环，桶面环也广泛用于其他类型的柴油机。

在油环方面，国内外广泛使用的内支撑螺旋弹簧铸铁油环具有很大的优势。这种油环具有很好的弹性，对变形的气缸套有很好的适应性，因此可以保持良好的润滑，减少磨损。

为了减少活塞环的磨损，活塞环的截面结构和形状应合理匹配，以保持良好的密封和润滑油膜。

另外，为了减少活塞环的磨损，应合理设计缸套和活塞的结构。如斯太尔wd615发动机气缸套采用平台网状结构，磨合过程中气缸套与活塞环的接触面积减小，可保持液体润滑，磨损小；此外，网状图案作为储油器，提高了气缸套保持润滑油的能力，因此非常有利于减少活塞环和气缸套的磨损。目前，这种气缸套结构广泛应用于发动机中。为了减少活塞环上下端面的磨损，活塞环端面与环槽之间应保持适当的间隙，以避免过大的冲击载荷。此外，耐磨奥氏体铸铁缸套镶嵌在活塞的环槽中，也可以减少上、下端面的磨损，但这种方法除特殊情况外不需要完全推广。因为它的过程很难掌握，而且成本很高。

3.表面处理

表面处理是明显降低活塞环磨损的方法。目前使用的表面处理方法很多，就其功能而言，可归纳为以下三类:

1)提高表面硬度以减少磨损。也就是说，在环的工作表面上形成非常硬的金属层，使得软铸铁磨料不容易嵌入其表面，并且提高了环的耐磨性。目前，使用最广泛的镀铬是松孔，它不仅硬度高(HV 800 ~ 1000)，摩擦系数小，而且具有良好的储油结构，因此可以显著提高活塞环的耐磨性。此外，镀铬成本低，稳定性好，大多数情况下使用性能好。因此，现代汽车发动机的第一环采用镀铬环，而油环也几乎100%采用镀铬环。实践证明，镀铬后活塞环的磨损不仅很小，其他未镀铬的活塞环和缸套的磨损也很小。

对于高速或强化发动机，活塞环不仅应在外圆周表面镀铬，还应在上下端面镀铬，以减少端面磨损。最好对所有活塞环组的所有外圆周表面镀铬，以减少整个活塞环组的磨损。

2)提高活塞环工作面的储油能力和抗熔断能力，防止熔断磨损。活塞环工作表面的润滑油膜在高温下会被破坏，有时会形成干摩擦。如果在活塞环表面涂覆一层具有储油和抗熔性的表面涂层，可以减少熔性磨损，提高活塞环的抗气缸磨损能力。活塞环上喷涂钼具有极高的抗焊接磨损能力。一方面，喷钼层为多孔储油结构涂层；另一方面，钼具有高熔点(2630℃)，在干摩擦下仍能有效工作。在这种情况下，喷钼比镀铬环具有更高的耐熔性。例如，在r4100柴油发动机中，开始时使用镀铬环，并发现活塞环拉动气缸。使用喷钼环基本解决了问题。但是，喷钼环的耐磨性比镀铬环差。此外，喷钼环成本较高，结构强度难以稳定。因此，除非有必要喷涂钼，最好使用镀铬。

3)改进初次磨合的表面处理。这种表面处理是在活塞环表面覆盖一层具有适当柔软性和弹性的易损材料，使活塞环与气缸套的突出部分接触，加速磨损，从而缩短磨合周期，使活塞环进入稳定的工作状态。磷化处理目前应用广泛。活塞环表面形成一层质地柔软、易磨损的磷化膜。磷化处理因其设备简单、操作方便、成本低、效率高而广泛应用于小型发动机活塞环工艺中。此外，镀锡和氧化处理也可以改善初始磨合。

镀铬和喷钼是活塞环表面处理中最常用的方法。此外，根据发动机的类型、结构、应用和工况，还采用了其他表面处理方法，如软氮化处理、硫化处理、填充四氧化三铁等。

活塞环的磨损是一个复杂的现象，有许多因素，这些因素往往是复杂而又相互交织的。因此，要解决活塞环的磨损问题，必须综合分析各种因素，从而在设计、材料、制造工艺、表面处理和润滑剂等方面做出合理安排，最终达到满意的效果。