活塞環氣環的作用和區分及分類

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活塞環在高溫、高壓、高速及潤滑極其困難的條件下工作，是發動機上壽命最短的零件。活塞環的優點為彈性好、強度高、耐磨損、耐熱、沖擊韌性好、導熱性能好等。目前廣泛應用的活塞環材料是合金鑄鐵（在優質灰鑄鐵中加入少量銅、鉻、鉬等合金元素），第一道是鍍鉻環，其余環一般為鍍錫環或磷化環。

氣環的功用
（1）密封：防止氣缸內的氣體竄入油底殼。
（2）傳熱：將活塞頭部的熱量傳給氣缸壁。
（3）輔助刮油、布油。

氣環的密封原理

氣環開有切口，具有彈性，在自由狀態下外徑大于氣缸直徑，它與活塞一同裝入氣缸后，外表面緊貼在氣缸壁上，形成第一密封面，氣環密封效果通常與氣環數量有關，汽油機一般采用2道氣環，柴油機一般采用3道氣環。

發動機工作時，活塞和活塞環等機件都會發生熱膨脹。而活塞環在氣缸、活塞環槽內的運動相對比較復雜，既要與活塞一起在氣缸內做上下運動，徑向脹縮，還要在環槽內做些微的圓周運動，以保證氣缸的密封性，并防止環卡死在缸內或脹死在環槽中。

圖2-62氣環的密封原理

活塞環在自由狀態下不是正圓形。將活塞環裝入氣缸后，在其自身的彈力作用下環的外圓面和氣缸壁貼緊形成第一密封面，氣缸內的高壓氣體無法通過第一密封面泄漏。高壓氣體可能通過活塞頂岸和氣缸壁之間的間隙進入活塞環的側隙和徑向間隙中。進入側隙中的高壓氣體使環的下側面和環槽的下側面貼緊形成第二密封面，高壓氣體也無法通過第二密封面泄漏。進入徑向間隙中的高壓氣體使環的外圓面與氣缸壁更加貼緊。這時活塞環的開口端隙即為漏氣的唯一通道。

如果幾道活塞環的開口相互錯開，則形成了迷宮式漏氣通道。

由于側隙、徑向間隙及端隙都很小，氣體在通道內的流動阻力很大，導致氣體壓力p迅速下降，最后漏入曲軸箱內的氣體就非常少了，一般僅為進氣量的0.2%~1.0%（質量分數）。活塞環隨活塞一同裝入氣缸后，便產生彈力而緊貼在氣缸壁上，形成密封面，使燃氣無法通過環與氣缸的接觸面之間的間隙。環密封的效果和氣環數目有關。氣環數目通常為2~3道（汽油機2道，柴油機3道）。第一道工作條件最為惡劣，要求具有耐熱、耐磨、高強度和沖擊韌性等特性。

（2）氣環分類及特點

①按氣環的開口形狀不同分，如圖2-63所示。

圖氣環開口形狀分類

a.直開口工藝性好，但密封性較差。
b.階梯口密封性好，但工藝性較差。
c.斜開口密封性與工藝性介于前兩者之間，斜角通常為30°或40°。

②按氣環的斷面形狀不同分，如圖2-64所示。
（a）矩形環（b）推形環（c）梯彩環（d）桶面環（e）扭曲環1（r）扭曲環2圖2-64氣環的斷面形狀

a.矩形環

斷面呈矩形的氣環。形狀簡單，加工方便，與氣缸壁接觸面積較大，有利于活塞散熱。但磨合性差，而且在與活塞共同作往復運動時，在環槽內上下竄動，將氣缸壁上的機油不斷地擠入燃燒室中，產生

“泵油作用”，使機油消耗量增多，活塞頂及燃燒室壁面積炭。

b.錐形環

環的外圓面是錐角很小的錐面。理論上錐面環和氣缸壁為線接觸，磨合性好，增大了接觸壓力及對氣缸壁形狀的適應能力。當活塞下行時，錐面環能產生向下刮油的作用。當活塞上行時，因為錐面的油楔作用，錐面環能滑過氣缸壁上的油膜而不會將機油帶入燃燒室。錐面環傳熱性差，因此不用作第一道氣環。由于錐角很小，通常不易識別，為避免裝錯，在環的上側面標有向上的記號。

c.梯形環

斷面呈梯形，其主要優點是抗黏結性好。當活塞頭部溫度較高時，竄入第一道環槽中的機油容易結焦并將氣環粘住。當側向力換向活塞左右擺動時，梯形環的側隙、徑向間隙均發生變化，將環槽中的膠質擠出。楔形環的工作特點和梯形環相似，且由于斷面不對稱，裝入氣缸后也會發生扭曲。梯形環適用于柴油機的第一道氣環。

d.桶面環

環的外圓面為外凸圓弧形，其密封性、磨合性以及對氣缸壁表面形狀的適應性都非常好。桶面環在氣缸內不論上行或下行均能形成楔形油膜，將環浮起，減輕環和氣缸壁的磨損。

e.扭曲環

斷面不對稱的氣環。裝入氣缸后，因為彈性內力的作用使斷面發生扭轉，所以稱扭曲環。

扭曲環斷面扭轉原理：

將活塞環裝入氣缸之后，其斷面中性層以外產生拉應力，而斷面中性層以內產生壓應力。拉應力的合力FA指向活塞環中心，壓應力合力F2的方向正好相反。由于扭曲環中性層內外斷面不對稱，使FA和F2不作用在同一平面內而形成力矩M。在力矩M的作用下，使環的斷面產生扭轉。

如果將內圓面的上邊緣或外圓面的下邊緣切掉一部分，整個氣環將扭曲成碟子形，則稱這種環為正扭曲環；如果將內圓面的下邊緣切掉一部分，氣環將扭曲成蓋子形，則稱其為反扭曲環。在環面上切去部分金屬稱為切臺。發動機工作時，在進氣、壓縮及排氣行程中，扭曲環發生扭曲，其工作特點一方面和錐形環類似，另一方面因為扭曲環的上下側面與環槽的上下側面相接觸，從而避免了環在環槽內上下竄動，消除了泵油現象，減少了環對環槽的沖擊而引起的磨損。在做功行程中，巨大的燃氣壓力作用在環的上側面和內圓面，足以克服環的彈性內力使環不發生扭曲，整個外圓面與氣缸壁接觸，這時扭曲環的工作特點和矩形環相同。

f.開槽環

在外圓面上加工出環形槽，在槽內填充可以吸附機油的多孔性氧化鐵，有利于潤滑、磨合及密封。