【正文】 中小功率柴油機(jī)經(jīng)常采用，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的日益強(qiáng)化，活塞熱負(fù)荷增加，熱變形加大，活塞頭搖擺加劇等原因，致使矩形環(huán)在工作中失去與氣缸壁的良好貼合，其上緣與氣缸壁接觸，而下緣離開(kāi)缸壁，就起不到刮油作用，反而向上泵油，增大滑油耗量，因此矩形環(huán)的使用受到限制，在低速十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)中還廣泛采用。（2） 桶面環(huán)桶面環(huán)的表面形狀多呈凸圓弧形。一般取公稱直徑的一半作桶形面的半徑（即桶面半徑等于氣缸半徑） 。它主要用作第一道氣環(huán)（通常經(jīng)鍍鉻處理） ，常與錐面環(huán)串聯(lián)使用。其優(yōu)點(diǎn)如下：a 因桶面環(huán)的兩面均是楔形，機(jī)油的入口間隙大，則機(jī)油以楔形進(jìn)入并產(chǎn)生一個(gè)使環(huán)浮起的油壓形成液體潤(rùn)滑，因此磨損可以減小；b 桶面環(huán)與氣缸之間是線接觸，能適應(yīng)活塞的晃動(dòng)，因改善接觸情況，減少粘著磨損的發(fā)生；c 磨合性能好，桶面環(huán)實(shí)質(zhì)上是雙向微錐面環(huán)，所以易于磨合；d 密封性能好。環(huán)與氣缸線接觸，即使表面發(fā)生變形時(shí)仍能保持良好的接觸。（3） 錐面環(huán)錐面環(huán)的外圓呈錐形，錐度一般為 ～(～)采用鍍層或非鍍層結(jié)構(gòu)。錐面環(huán)是在活塞環(huán)外圓面上加工一個(gè)很小的斜角，由于減少了環(huán)與氣缸壁接觸面，從而提高表面接觸壓力，有利于磨合和氣密，同時(shí)，活塞下行時(shí)，易于刮油；活塞上行時(shí)，由于斜角的“油楔”作用，能在油膜上“飄浮”過(guò)去，不會(huì)引起熔著磨損。圖 圖 錐面環(huán)斜角選取必須恰當(dāng)，一般在 20ˊ～60ˊ范圍內(nèi)。安裝時(shí)注意斜面角不能倒裝，否則會(huì)引起很大的竄油現(xiàn)象。一般用于中間環(huán)。（4） 梯形環(huán)兩側(cè)面傾斜的氣環(huán)。由于梯形剖面，環(huán)在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)隙將不斷變化，因而能使燃燒室積碳減到最低程度。為了提高氣環(huán)的抗結(jié)膠能力，梯形環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生了。當(dāng)活塞受側(cè)壓力的作用而改變位置時(shí)，環(huán)的側(cè)隙發(fā)生變化，能將環(huán)槽中的結(jié)焦擠出，從而使活塞環(huán)槽處的許用工作溫度比矩形環(huán)高 20℃左右，能使活塞環(huán)在 240～250℃ 下長(zhǎng)期工作而不結(jié)焦。梯形環(huán)的夾角一般為 15186。，也有用 10186。，20186。 的。梯形環(huán)又分直角梯形環(huán)（環(huán)截面為直角梯形）和等腰梯形環(huán)（環(huán)截面為等腰梯形） 。梯形環(huán)在第一道環(huán)中使用最廣，也可以用于第二、第三道環(huán)。梯度可以是一邊或兩邊都有，環(huán)槽也有相應(yīng)的梯度。選擇一定的環(huán)槽和環(huán)的錐角和公差，使內(nèi)外底面匹配良好，以優(yōu)化竄氣和機(jī)油控制。環(huán)和環(huán)槽間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可避免積碳形成，以防止環(huán)在環(huán)槽中卡死現(xiàn)象。直角梯形環(huán)適合于燒重油柴油機(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)，等腰梯形環(huán)多用于燒重油強(qiáng)載柴油機(jī)，近年來(lái)，小功率柴油機(jī)和二沖程汽油機(jī)也開(kāi)始采用。（5） 扭曲環(huán)扭曲環(huán)的扭轉(zhuǎn)角度一般為徑向厚度上的扭曲量為環(huán)徑向厚度的 ～% ，而扭曲的斜角為 15ˊ～30ˊ。但倒角環(huán) [圖 （ g） ]和錐面環(huán) [圖 （ f） ]的斜角度 比較大，倒角環(huán)可達(dá) 10186。～20186。；錐面環(huán)為～5186。2 油環(huán)油環(huán)具有回油孔或等效結(jié)構(gòu)，能從缸壁上刮下機(jī)油的活塞環(huán)。主要用來(lái)調(diào)節(jié)（或控制）氣缸壁上潤(rùn)滑油并帶有回油通道的活塞環(huán)。油環(huán)又分外階梯倒角環(huán)、鼻形環(huán)、開(kāi)槽油環(huán)，彈簧脹圈油環(huán)、鋼片組合環(huán)等。 （見(jiàn)圖17）a) 直角梯形 b) 等腰梯形角環(huán)； (h)—鼻形環(huán)（1） 外階梯倒角油環(huán)廣泛應(yīng)用于大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)，作為向下刮油和布油環(huán)。（2） 鼻形環(huán)切臺(tái)呈鼻形外切扭曲環(huán)。作為中速發(fā)動(dòng)機(jī)的向下刮油環(huán)。鉤形切口保證了刮油邊尖角的豎實(shí)性和不變形側(cè)面接觸寬度。（3） 開(kāi)槽油環(huán)側(cè)面平行，具有兩個(gè)接觸環(huán)岸，并有回油孔的油環(huán)。由于環(huán)岸狹窄，可得到高的比壓是最常見(jiàn)的一種油環(huán)。它通過(guò)回油槽或油孔把刮油帶一分為二，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，通過(guò)控制刮油帶的寬度，來(lái)改變油環(huán)表面接觸壓力和刮油效率。（4） 彈簧脹圈油環(huán)在油環(huán)背面加有各種形式的襯簧，稱作彈簧脹圈油環(huán)，其結(jié)構(gòu)型式很多。螺旋彈簧由方形或圓形截面的鋼絲制作，環(huán)的接觸壓力通過(guò)彈簧擴(kuò)脹作用而獲得。襯簧可以使環(huán)的壓力增高，環(huán)壓均勻和彈性穩(wěn)定，從而使油膜均勻、磨損下降，機(jī)油消耗下降。為了減小油環(huán)背面與螺旋脹圈接觸表面的磨損，可以將襯簧與環(huán)背面設(shè)計(jì)成面接觸并鍍鉻抗磨。該環(huán)廣泛用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。（5） 鋼帶組合油環(huán)鋼帶組合油環(huán)是一種較新的結(jié)構(gòu)形式，在發(fā)動(dòng)機(jī)上已得到廣泛運(yùn)用。這種環(huán)有二種結(jié)構(gòu)型式：組合式刮片和脹圈以及分離式刮片和脹圈。它與缸套變形有良好的適應(yīng)性和較高的接觸壓力。主要優(yōu)點(diǎn)：a 接觸壓力高，壓力分布均勻，普通鑄鐵油環(huán)比壓為 ～，組合油環(huán)為～；b 刮油能力好，有效防止竄油。由于鋼片具有柔軟性，各個(gè)刮片獨(dú)立工作，能很好地適應(yīng)氣缸的不均勻磨損和活塞晃動(dòng)及變形的影響，達(dá)到良好地密封；c 回油通路大。通路開(kāi)口的比率：鑄鐵油環(huán)為 10～15%，組合油環(huán)為 30～50%，不但降低機(jī)油消耗，而且有效防止結(jié)膠積渣；d 質(zhì)量小。比鑄鐵油環(huán)減輕一半以上，因?yàn)槎嗣嬷g沒(méi)有撞擊，環(huán)槽磨損大為減少；e 制造工藝簡(jiǎn)單，適合于大量生產(chǎn)。當(dāng)然，組合油環(huán)需使用高級(jí)鋼材（如 65Mn 鋼） ，而且需要有一系列加工設(shè)備，刮片表面要鍍鉻等，對(duì)于大規(guī)模推廣使用，尚需努力。 活塞環(huán)的工作條件活塞環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中處于極其惡劣條件下工作的，具體是：1 高溫 內(nèi)燃機(jī)氣缸中燃?xì)鉁囟群芨?，?jīng)散熱和冷卻后，活塞環(huán)特別是第一道圖外階梯倒角環(huán) 鼻形環(huán) 開(kāi)槽油環(huán) 彈簧脹圈油環(huán)鋼片組合環(huán) ab氣環(huán)的工作溫度始終保持在 300℃左右。2 高壓 柴油機(jī)能產(chǎn)生 80～150㎏/㎝ 2的壓力，汽油機(jī)能產(chǎn)生 30～40㎏/㎝ 2的壓力，活塞環(huán)必須在這樣的高壓條件下保持密封工作。3 高速 現(xiàn)代汽油機(jī)最高轉(zhuǎn)速為 11000 轉(zhuǎn)/分，活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)線速度為 11～16 米/秒，柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 4500 轉(zhuǎn)/分，活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)線速度為 10～14 米/ 秒。4 變負(fù)荷 活塞環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中受燃?xì)獗l(fā)力的沖擊，活塞環(huán)在環(huán)槽中上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生徑向振動(dòng)和扭曲等交變應(yīng)力。5 潤(rùn)滑困難 活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)處在高溫、高壓條件下，潤(rùn)滑油膜難于保持完整，不能完全潤(rùn)滑而經(jīng)常處于臨界潤(rùn)滑狀態(tài)下工作。 活塞環(huán)各部份名稱及代號(hào) 圖 1 活塞環(huán)各部分名稱 式中：d1—公稱直徑表示標(biāo)準(zhǔn)缸徑的活塞環(huán)工作直徑；h1—環(huán)高，表示上、下端面的軸向距離自由開(kāi)口尺寸；S1—閉口間隙，表示在工作狀態(tài)下開(kāi)口間的距離。 第二章 活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸 徑向厚度 a 1 徑向厚度指環(huán)內(nèi)、外圓之間的徑向距離。一般由缸徑和活塞環(huán)槽底深度而定，此參數(shù)的大小直接影響活塞環(huán)的彈力、應(yīng)力以及內(nèi)燃機(jī)的性能?？偟恼f(shuō)徑向厚度 α 1 小，則平均彈力就小，散熱比較困難，顯然對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)是不利的。近來(lái)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)的高速化，環(huán)的徑向厚度趨向于加大，對(duì)改善活塞傳熱，提高環(huán)的彈力、剛度是有利的，但若徑向厚度過(guò)大，工作和安裝時(shí)應(yīng)力大，易折斷，同時(shí)對(duì)氣缸橫向變形的適應(yīng)性較差。因此規(guī)定缸徑 d1與徑向厚度 α 1 的比值應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，一般 d 1/α 1=22～28。 （圖 333）汽油機(jī)環(huán)宜取小，柴油機(jī)環(huán)宜取大。 環(huán)高 h 1環(huán)高是環(huán)兩端面沿其軸線方向的最大公稱尺寸?；钊h(huán)的高度不宜過(guò)高，因?yàn)椋? 能較好地適應(yīng)氣缸的不均勻磨損和變形，可以避免棱緣集中負(fù)荷，從而提高環(huán)的抗粘著能力；2 使活塞組往復(fù)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸減少，活塞環(huán)槽磨損減少；3 使環(huán)背和環(huán)槽間的空間變小，環(huán)背壓力容易建立起來(lái)，提高了二次密封效能；4 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率損失小，氣缸套的磨損將顯著下降；1—汽車拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)2—強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)圖 33 活塞環(huán) d 1/a1 的推薦值圖 32 活塞環(huán) d1/a1 變化曲線d1/a1d1/a1d1d1 mm）5 磨合快。事物都是一分為二。環(huán)高過(guò)小，將使活塞工作穩(wěn)定性變差，從而可能引起活塞環(huán)與氣缸壁之間表面接觸應(yīng)力集中，破壞缸壁油膜導(dǎo)致拉缸的可能。還可能導(dǎo)致磨料磨損增加（見(jiàn)右圖）易于折斷、散熱能力差等。這些都是要在設(shè)計(jì)時(shí)加以權(quán)衡的。但是，對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)而言，減少環(huán)高是活塞環(huán)發(fā)展的總趨勢(shì)，存在問(wèn)題可以從材料及表面處理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面努力克服的。對(duì)于小功率柴油機(jī)，一般氣環(huán)環(huán)高 h 1 = 2～4mm ，近來(lái)還出現(xiàn)環(huán)高 h 1 = 的實(shí)例。 m自由開(kāi)口尺寸指在自由狀態(tài)下，環(huán)開(kāi)口兩端徑向中點(diǎn)的弦距。它的大小既要滿足活塞環(huán)彈力的要求，又要滿足工作應(yīng)力和安裝應(yīng)力的要求，m 值過(guò)大，工作應(yīng)力較大，會(huì)造成較大的彈性消失，m 值過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生較大的安裝應(yīng)力造成斷環(huán)，或過(guò)度變形失去圓度。一般，合金鑄鐵氣環(huán)和整體油環(huán) m/ d1=13～14%，最大不超過(guò) 16%；球鐵環(huán) m/ d1=8～11%，最大不超過(guò) 12%；內(nèi)撐彈簧組合油環(huán)比相應(yīng)平環(huán)小 45mm。 活塞環(huán)組合活塞環(huán)的組合，在強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中特別重要，一般要求是：1 第一環(huán)要加倍強(qiáng)化，因?yàn)樗ぷ鳁l件最差，對(duì)竄氣、竄油均有重大影響。第一環(huán)要求避免發(fā)生逆倒角的情況。2 中間環(huán)的情況在二沖程和四沖程柴油機(jī)中是不同的。二沖程柴油機(jī)的第二環(huán)，甚至全部壓縮環(huán)與第一環(huán)都是相似的。這是因?yàn)槎_程的活塞環(huán)經(jīng)過(guò)氣口時(shí)，工作條件不利。四沖程柴油機(jī)的第二環(huán)的工作條件不很厲害，尺寸多較第一環(huán)薄一些。在高速發(fā)動(dòng)機(jī)上主要還是防竄油的作用，端面要求貼合承壓，為此，多要求扭曲環(huán)，對(duì)高增壓高平均有效壓圖 環(huán)高與開(kāi)口間隙關(guān)系圖 34 環(huán)高與抗粘著能力關(guān)系力的發(fā)動(dòng)機(jī)上，第二環(huán)有采用高強(qiáng)度材料的趨向。3 在高速發(fā)動(dòng)機(jī)中由于要縮短活塞長(zhǎng)度，油環(huán)一般趨向于用一個(gè)，此時(shí)強(qiáng)化油環(huán)結(jié)構(gòu)是有必要的。4 在目前強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中不論油環(huán)、或壓縮環(huán)，均要起密封和刮油雙重作用，所以在組合時(shí)要考慮它們之間的配合。不同結(jié)構(gòu)和功能的活塞環(huán)通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，安裝在活塞各環(huán)槽內(nèi)，以適應(yīng)不同的用途?；钊h(huán)數(shù)目實(shí)際上是按照發(fā)動(dòng)機(jī)的型式，缸徑大小和轉(zhuǎn)速高低等不同情況來(lái)確定。就內(nèi)燃機(jī)而言，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)以三環(huán)組結(jié)構(gòu)為主，農(nóng)用柴油機(jī)以三環(huán)或四環(huán)結(jié)構(gòu)為主，摩托車二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)以兩環(huán)結(jié)構(gòu)，四沖程為三環(huán)結(jié)構(gòu)，中速發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用四道環(huán)。從發(fā)展而言，以三環(huán)結(jié)構(gòu)為主要方向，也就是流行結(jié)構(gòu)“一桶二錐三內(nèi)撐” 。 活塞環(huán)的計(jì)算 徑向壓力 P活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形