活塞環(huán)在高溫、高壓、高速、極難潤(rùn)滑的條件下工作，是發(fā)動(dòng)機(jī)上使用壽命最短的零件。活塞環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是彈性好、強(qiáng)度高、耐磨、耐熱、沖擊韌性好、導(dǎo)熱性好等。目前廣泛使用的活塞環(huán)材料是合金鑄鐵，第一種是鍍鉻環(huán)，其余的環(huán)一般是鍍錫環(huán)或磷化環(huán)。

氣環(huán)的作用

密封:防止氣缸內(nèi)的氣體逸入油底殼。

熱傳遞:將熱量從活塞頭傳遞到氣缸壁。

輔助刮油和配油。

氣環(huán)的密封原理

氣環(huán)具有缺口和彈性，其外徑大于自由狀態(tài)下圓柱體的直徑。與活塞一起安裝在氣缸內(nèi)后，其外表面緊貼氣缸壁形成第一密封面。氣環(huán)的密封效果通常與氣環(huán)的數(shù)量有關(guān)。汽油機(jī)一般采用2個(gè)氣環(huán)，柴油機(jī)一般采用3個(gè)氣環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞、活塞環(huán)等零件會(huì)熱膨脹。然而，活塞環(huán)在氣缸和活塞環(huán)槽中的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜。需要隨活塞在缸內(nèi)上下移動(dòng)，徑向伸縮，在環(huán)槽內(nèi)做輕微的圓周運(yùn)動(dòng)，保證缸的密封性，防止環(huán)卡在缸內(nèi)或在環(huán)槽內(nèi)脹死。圖2-62氣環(huán)的密封原理活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是完全圓的。活塞環(huán)安裝在氣缸內(nèi)后，在自身彈性的作用下，環(huán)的外圓面與氣缸壁緊密貼合，形成第一密封面，氣缸內(nèi)的高壓氣體不會(huì)通過(guò)第一密封面泄漏。高壓氣體可能通過(guò)活塞頂排和氣缸壁之間的間隙進(jìn)入活塞環(huán)的側(cè)隙和徑向間隙。進(jìn)入側(cè)隙的高壓氣體使環(huán)的下側(cè)和環(huán)槽的下側(cè)粘在一起形成第二密封面，高壓氣體不會(huì)通過(guò)第二密封面泄漏。進(jìn)入徑向間隙的高壓氣體使環(huán)的外表面更靠近氣缸壁。此時(shí)活塞環(huán)開(kāi)口端間隙是漏氣的唯一通道。如果幾個(gè)活塞環(huán)的開(kāi)口交錯(cuò)，就會(huì)形成迷宮式漏氣通道。由于側(cè)隙、徑向間隙和端隙很小，氣體在通道內(nèi)的流動(dòng)阻力很大，導(dǎo)致氣體壓力p迅速降低，最后泄漏到曲軸箱內(nèi)的氣體很少，一般只有進(jìn)氣的0.2%~1.0%。活塞環(huán)與活塞一起裝入氣缸后，會(huì)產(chǎn)生彈力，緊貼氣缸壁，形成密封面，阻止氣體通過(guò)活塞環(huán)與氣缸接觸面之間的間隙。密封圈的密封效果與氣環(huán)的數(shù)量有關(guān)。氣環(huán)的數(shù)量通常為2~3個(gè)。第一種工況最差，要求耐熱性、耐磨性、高強(qiáng)度和沖擊韌性。

氣環(huán)的分類和特點(diǎn)

(1)根據(jù)氣環(huán)的開(kāi)口形狀，如圖2-63所示。圖氣環(huán)開(kāi)口形狀分類

A.直開(kāi)孔工藝性好，但密封性能差。

B.臺(tái)階開(kāi)口密封性能好，但工藝性差。

C.斜開(kāi)口的密封性能和工藝性介于前兩者之間，傾斜角度通常為30°或40°。

(2)根據(jù)氣環(huán)截面形狀的不同，如圖2-64所示。

矩形推環(huán)階梯色環(huán)桶面環(huán)扭環(huán)1扭環(huán)2圖2-64氣環(huán)截面形狀

A.矩形截面氣環(huán)。造型簡(jiǎn)單，加工方便，與缸壁接觸面積大，有利于活塞散熱。但磨合性能差，與活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在環(huán)形槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，不斷將氣缸壁上的油擠壓到燃燒室中，產(chǎn)生“抽油效應(yīng)”，增加了油耗，使活塞頂部與燃燒室壁的面積積碳。

B.圓錐環(huán)的圓柱面是一個(gè)小錐角的錐面。理論上，上錐形環(huán)與氣缸壁線接觸，磨合良好，增加了接觸壓力和對(duì)氣缸壁形狀的適應(yīng)性。當(dāng)活塞下降時(shí)，錐形環(huán)可以向下刮油。當(dāng)活塞上升時(shí)，由于錐形的油楔，錐形環(huán)可以滑過(guò)氣缸壁上的油膜，而不會(huì)將油帶入燃燒室。錐環(huán)傳熱差，不作為第一個(gè)氣環(huán)使用。由于錐角很小，通常很難識(shí)別。為了避免錯(cuò)誤安裝，環(huán)的上側(cè)標(biāo)有向上的標(biāo)記。

C.梯形環(huán)的橫截面為梯形，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗粘連性好。當(dāng)活塞頭溫度較高時(shí)，破入第一環(huán)槽的油容易結(jié)焦粘氣環(huán)。側(cè)向力換向活塞左右擺動(dòng)時(shí)，梯形環(huán)的側(cè)向間隙和徑向間隙發(fā)生變化，環(huán)槽內(nèi)的膠質(zhì)被擠出。楔形環(huán)的工作特性與梯形環(huán)相似，由于橫截面不對(duì)稱，安裝在氣缸內(nèi)后會(huì)變形。梯形環(huán)適用于柴油機(jī)的第一個(gè)氣環(huán)。d.桶面環(huán)的圓柱面為凸圓弧，具有優(yōu)良的密封性能、磨合性能和對(duì)筒壁表面形狀的適應(yīng)性。桶環(huán)無(wú)論上升還是下降，都能在氣缸內(nèi)形成楔形油膜，使桶環(huán)浮動(dòng)，減少桶環(huán)和氣缸壁的磨損。

E.扭曲環(huán)截面不對(duì)稱的氣體環(huán)。圓筒安裝后，由于彈性內(nèi)力使截面扭曲，故稱為扭曲環(huán)。扭轉(zhuǎn)環(huán)截面扭轉(zhuǎn)原理:活塞環(huán)安裝在氣缸內(nèi)后，截面中性層外產(chǎn)生拉應(yīng)力，截面中性層內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。拉應(yīng)力的合力FA指向活塞環(huán)中心，壓應(yīng)力的合力F2方向相反。由于扭曲環(huán)中性層內(nèi)外截面的不對(duì)稱，F(xiàn)A和F2不在同一平面內(nèi)作用，產(chǎn)生力矩m，在力矩m的作用下，環(huán)的截面發(fā)生扭曲。如果內(nèi)圓面的上緣或外圓面的下緣的一部分被切掉，整個(gè)氣環(huán)就會(huì)扭曲成碟形，稱為正扭曲環(huán)；如果內(nèi)圓面下緣的一部分被切掉，氣環(huán)就會(huì)扭曲成蓋狀，這就叫防扭曲環(huán)。切掉圓環(huán)面上的部分金屬叫做切臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在進(jìn)氣、壓縮和排氣沖程中，扭環(huán)被扭轉(zhuǎn)，其工作特性一方面與錐形環(huán)相似，另一方面，由于扭環(huán)的上下兩側(cè)與環(huán)槽的上下兩側(cè)接觸，防止了環(huán)在環(huán)槽內(nèi)上下移動(dòng)，消除了抽油現(xiàn)象，減少了環(huán)對(duì)環(huán)槽沖擊造成的磨損。在做功沖程中，巨大的氣體壓力作用在環(huán)的上側(cè)和內(nèi)圓面上，足以克服環(huán)的彈性內(nèi)力，防止環(huán)扭曲，整個(gè)外圓面與缸壁接觸。此時(shí)，扭環(huán)的工作特性與矩形環(huán)相同。

F.開(kāi)槽環(huán)在圓柱面上加工出一個(gè)環(huán)形凹槽，凹槽內(nèi)填充有多孔氧化鐵，可以吸附機(jī)油，有利于潤(rùn)滑、磨合和密封。

各種斷面形狀氣環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)分析