活塞环设计
汽车活塞环设计
1. 环的名称及标记
通常有机型、规格、种类(环的剖面形状)基本直径、环高、表面处理等。 1.1环各部分的名称,参见图1、图
2
图1自由状态的名称 图2闭合状态的名称 (1)基本直径d 1
在ISO 规格中d1从30~200每隔1-2mm 为一挡。 (2)环高h 1
高转速内燃机需求环惯性力小薄环得到了使用。 (3)径向厚度a 1
a1的大小很大程度上影响了环的安装和工作应力,各种材料的面压为0.15-0.20Mpa ,材料E 值及d 1/a1参见表1
表1材料的弹性模量与d1/a1
(4)闭口间隙S 1
S1为环放置于内圆为d 1的校圆圈中的开口端距离,内燃机运转时,环材料因膨胀使得S 1减小(不能低头)。 (5)自由开口m
计算时采用有效自由尺寸m-s 1,m 用于弹力的调整,m 与d 1的关系; 低合金铸铁m/ d1=13%~14%,球铁为8%~10%。 1.2环的间隙 (1)侧隙
环的断面、环槽高度部分名称参见图3;汽油机柴油机环的一般侧隙范围参见表2 (2)径向间隙
工作状态时环槽底径与环内圆面的距离为径向间隙。内燃机工作时由于活塞的热膨胀,留有间隙是必需的。 (3)扭曲
一般采用λmax =2. 9⨯10-3~14.5⨯10rad (10′~50′)
-3
2m IZx ⎛β⎫λ=∙ 1+sin β⎪
3πd 1I x ⎝2⎭
式中λ扭曲角(rad ) m自由开口mm d 1基本直径mm
Ix 活塞环由于切槽、倒角等减弱的断面对其中性轴的惯性力矩mm β离环背的角度 扭曲环设计参见下图
4
图4 扭曲环设计
2. 环的形状
环的形状按剖面、外圆面形状、棱边形状、镀层、开口形状分为5类。 2.1剖面形状
(1)矩形环
(2)梯形环
梯形环能防止环的黏附 (3)楔形环 (4)外切扭曲环 (5) 鼻形环 (6)开槽油环 (7)异向到角油环 (8)同向倒角油环 (9)钢带组合油环
2.2外圆形状 图5中断的鼻形 表4外圆形状
基本外圆面形状见表4 (1)柱面 (2)桶面
桶面环外圆面呈圆弧形,中央部位凸起,成为润滑面的理想形状。矩形环油膜压力分布见图4.6,
桶
面环油膜压力分布图见7
由图可见桶面环的油由滑动方向的进口间隙大,桶面的Pmax 大于柱面的Pg 最大值,油膜分布及润滑良好,能控制油耗,没有矩形环的棱边负荷,不会刮缸,不易造成油膜中断,桶面环与缸壁呈线接触,易磨合,气密封效果好。广泛用于汽油机,柴油机环设计。(该段很少部分为译者补加说明) (3)锥面
外圆面为带锥度的工作面与缸套壁接触面积小,接触比压大,有利于缩短磨合期。锥面有辅助刮油作用,有利于油膜形成,油耗低。
2.3棱边形状
棱边形状参见表5
( 1)上侧面内倒角(正扭曲)
环上侧面内圆棱边切槽倒角的环叫内切
扭曲环,环下侧面外圆棱边切槽倒角的环叫 外切扭曲环。环切去部分使环扭曲成蝶形,外圆面与锥面环锥面一样起到锥面环的作用。
图8为内切扭曲环的扭曲作用图。图4.9为内切扭曲环在爆发行程时的状态,由图看出内切扭曲环的气密封性能良好。
图8内倒角的扭曲作用 图9内倒角在爆发行程时的状态 图10桶面反扭曲作用
(2)上侧面内切台(正扭曲)
在环上侧面内圆切台形成正扭曲环,其用途与上侧面倒角的一样。 (3)下侧面内倒角(反扭曲)
内倒角位于下侧面为反扭曲(碟形与正扭曲的反向)。桶面环下侧面内倒角的反扭曲作用参见图4.10
。在吸气行程中,环的上内棱边与活塞的环槽的上面,环的下外棱边与活塞的环槽的下面,接触
良好,防止了向上窜油,有效的降低了油耗。 (4)下侧面内切台(反扭曲)
内切台位于环的下侧面,其用途与下侧面内倒角的反扭曲环相同。 (5)倒角
矩形环在活塞上升下降行程转变时,由于活塞头部的摆动,使环的内切外棱边与缸壁接触,易造成刮伤;矩形环在环安装时,环的内棱边容易碰伤活塞表面或活塞槽底圆角半径,因此环设置了倒角参见表4.5内圆倒角,外圆倒角,内外倒角(此段译文将原文的文字上稍有改动,意思没有改动) 2.4镀层形状
镀层形状参见表6 表6镀层形状
(1)外圆面全部
(2)镶嵌 (3)半镶嵌
2.5开口端形状
(1)开口形状
汽车用环开口形状一般为直切口,近来为轻量
化,减低摩擦损失,构成二环组的采用斜切口,采用斜阶梯切口;见图11(参见图14三环组的第二道环)。
(2)定位切口
在二冲程汽油机中,如果活塞环在进排气孔上滑
动,会造成环开口端触及气孔,为避免发生此事,环开口位置应设有防止环自由转动的装置,一般定位切口环的环高h 1 在1.2㎜以上。
图11斜阶梯切口(交叉组合) 3. 典型环组配置
图12汽油机环的典型配置 图13低润滑油耗环的配置 图14低磨损环的配置
内燃机活塞环向高压缩比,高接触比压,减少环组的环片数发展,近期以轻量化减低摩擦损
失为目的进行环组配置。
3.1汽油机环组配置 参见图2~图16 3.2柴油机环的配置 参见图17~图18 4. 设计的基本计算公式 4.1弹力与自由开口的关系式
图19中
Ft :在环开口切线方向施加的载荷(N )。 Fd :在与环开口成90°的D 处施加的径向载荷(N )。
θ:A 点(到环至闭口间隙S1时)转移到B 点处的夹角;
图19弯曲力矩与弹力的关系 R :径向厚度中心线的曲率半径 M :B 点处的扭矩
Nmm
δ:开口断活塞环在Y 方向的位移量 任意点B 的扭矩M
M=Ft R(1+COSθ) „„„„„„„„„„„„„„„„„„(4.1) 当F t 使环到闭口间隙时
m-s 1=2δ=3π∙Ft ∙R 3(mm)„„„„„„„„„(4.2)
E ∙I
式中E :材料弹性模量Mpa
I:截面环对截面(中心线)的二次惯性矩mm 4
用于矩形截面: I =
h 1a 13
(m m 412
) R=
d 1-a 1
2
(mm ) m -s 14.14(d3
1/a1-1) F t
1 = Eh ㎜)
1
F t
=
Eh 1(m -s 1) (N)
14. 14(d 3
1/a 1-1)
4.2面压与弹力的关系
图20弹力与面压的关系
弹力与接触比压(面压)关系参见图4.20 任意点B 的扭矩
M=Ft·R (1+cosθ)„„„„„„„„(4.3) M=p·h 1R 0R(1+cosθ) „„„„„„„„(4.4) 因为R 0=
d 1
2
Ft=P·h 1·R 0=
Ph 1d 1
2
(N ) 上式中:P :平均面压(Mpa )
h:环高(mm ) d 1基本直径(mm ) 4.3F t 与F d 的换算
F d =2.27Ft ISO 规定F d =2.15Ft 4.4环发生的应力
环的使用应力(工作应力)f 2 f 2=Ea 1(m -s 1)(Mpa)
2. 35d 1-a 12
环的安装应力
f 1=Ea 1(8a -m ) (MPa )
2
1
2. 35(d 1-a 1)
5. 设计基本经验 5.1面压的选定
一般面压的选定要考虑到:①防止漏气;②减少润滑油耗量;③减少摩擦损失。普通开槽油环的面压0.15-0.20Mpa ;倒角铸铁油环的面压0.5Mpa ;钢带组合油环的面压0.8Mpa. 最近由于低燃油耗,低磨损观点,设计倾向于低面压。 5.2 h1的选定
高转速环倾向于薄环,但环薄有折断的危险且加工难度较大。 5.3 a1选定
a1 m E 为弹力设计要求要素,设计中要互相配合。 尤其是薄环,a 1不适当使安装或使用应力过大造成环折断几率增大,a 1要与d 1相适应。 5.4自由开口的选定
m的 选定与材料种类有关并取决于m/d1。
环制作经镀铬、检查等都是将环从自由状态到闭合状态的往返过程,经过多次的“约翰逊”变形,使灰铸铁环成品的自由收缩量为10%~20%,即铸坯开口弦长的80%~90%。(此段按原版直译,译注:シヨソ;约翰逊Johnson 指总变形=弹性变形+塑性变形)球铁E 大,m 较小。
m 过小使安装应力大;m 过大. 工作应力大. 环易变形。 近年来,低面压设计要求使m/d1倾向于小值。 5.5 a1/h1与弯曲
自由状态环应符合下式
m ·3E′π
≤2R 2E α上式中E ′=α=a1/h1 m 自由开口mm
R 环的半径(参见图4.19)mm E 弹性模量Mpa
图21 E值为95Gpa 材料的弯曲临界计算值 h1环高mm
a 1径向厚度mm γ泊松比
图21为材料E=95Gpa的弯曲临界计算值m/d1与a 1/h1的选定应落在斜线的安全范围区之内,实践表明由于热负荷,外应力等,附加适当的安全系数是完全必要的。 5.6闭口间隙的选定
热膨胀造成的最小闭合间隙S 1 min(mm)
S 1min=πd 1(α1△t 1-α2△t 2)
式中d 1环基本直径(mm )
α1环的热膨胀系数(mm/mm℃) α2缸套热膨胀系数(mm/mm℃) △t 1环常温与工作温度之差(℃) △t 2缸套常温与工作温度之差(℃) S1min=πd 1α△t
上式中α铸铁热膨胀系数1.2×10
-5
E
2
1-γ
(mm/mm℃)
△t 环与缸套的温度差(℃) 表8环和缸套的温度差与最小闭口间隙
6. 压力分布曲线与自由状态形状的关系
(1)等压分布,用于中高转速4冲程活塞环。
(2)桃形分布,用于各种高转速环
(3)苹果形分布用于2冲程发动机环。
环的压力分布形态图参见图4.22