活塞环手册
活塞组包括活塞、活塞销和活塞环设计说明书
目录第1章活塞组的设计·········································································- 3 -1.1 活塞的设计 ···············································································- 3 -1.1.1活塞头部的设计··································································- 3 -1.1.2活塞裙部的设计··································································- 5 -1.2 活塞销的设计 ············································································- 6 -1.2.1 活塞销的结构、材料 ··························································- 6 -1.3 活塞销座 ··················································································- 6 -1.3.1 活塞销座结构设计 ·····························································- 6 -1.4 活塞环设计及计算 ······································································- 7 -1.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计·················································- 7 -1.5 本章小结 ··················································································- 7 -第2章连杆组的设计·········································································- 8 -2.1 连杆的设计 ···············································································- 8 -2.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用··································- 8 -2.1.2 连杆长度的确定 ································································- 8 -2.1.3 连杆小头的结构设计 ··························································- 8 -2.1.4 连杆杆身的结构设计 ··························································- 8 -2.1.5 连杆大头的结构设计 ··························································- 8 -2.2 连杆螺栓的设计 ·········································································- 9 -2.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力··············································- 9 -2.3 本章小结 ··················································································- 9 -第3章曲轴的设计 ·········································································· - 10 -3.1 曲轴的结构型式和材料的选择 ····················································· - 10 -3.1.1 曲轴的工作条件和设计要求··············································· - 10 -3.1.2 曲轴的结构型式 ······························································ - 10 -3.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计········································· - 10 -3.2.1 曲柄销的直径和长度 ························································ - 10 -- 1 -3.2.2 主轴颈的直径和长度 ························································ - 10 -3.2.3 曲柄 ············································································· - 11 -3.3本章小结 ················································································ - 11 -第4章曲柄连杆机构的创建 ···························································· - 12 -4.1活塞的创建 ············································································· - 12 -4.2连杆的创建 ············································································· - 12 -4.3曲轴的创建 ...........................................................错误!未定义书签。
活塞环
7
油环的刮油作用
8
气环
作用：密封和传导热量
保证气缸与活塞间的密封性，防止漏 气，并把活塞顶部吸收的大部分热量 传给气缸壁，再由冷却水将其带走。 切口
气环
3
气环的密封原理：
将2～3道气环的切口相互错开形成“迷宫式” 封气装置。
气环的泵油原理：
动 态 演 示
4气环断面形状：形 Nhomakorabea 矩形 环 特点 结构简单、制造方便、易于生产、 应用面广 示意图
活塞环
• 是具有弹性的开口环，分为气环和油环。 • 工作条件： 高温、高压、高速、润滑条 件差。 • 平均寿命： 6万公里。 • 材料：合金铸铁或球墨铸铁。
注意点：
1、有时表面涂有保护层，改善活塞环的滑 动性能和耐磨性能。 2、第一道气环(承受压力最大)：有的表面 常镀上多孔性铬，硬度高，能贮存少量的 润滑油，改善润滑条件，延长活塞环的使 用寿命。
扭曲 环
锥面 环 梯形 环 桶面 环
断面不对称，受力不平衡，使活塞 环扭曲
减少了环与气缸壁的接触面，提高 了表面接触压力，有利于磨合和密 封。 加工困难，精度要求高
外圆为凸圆弧形
5
油环
• 作用： • 布油 • 刮油 • 密封（辅助作用）
油环的种类
种类 普通油环 组合式油环
刮油片
示 意 图
轴向衬环 刮油片 径向衬环
活塞设计说明书样板
（一）压缩高度的确定1.第一环的位置根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸的高度h。
为缩小H1，，当然希望h尽可能小，但h过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。
柴油机活塞环的工作条件比汽油机更严重，故h应更大些。
一般柴油机h=（0.15~0.25）D。
2.第二环的位置为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b应尽可能小，这样活塞环惯性力小，会减轻对环槽侧面冲击，有助有提高环槽耐久性。
但b太小，会使制环工艺困难。
在小型高速内燃机上，一般气环高b=2~3毫米，油环高b=4~6毫米。
大缸径柴油机的推荐环高见表。
环岸的高度c，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。
实践证明强化柴油活塞第一环岸有时会沿着岸根整圈断落下来。
当然，第二、第三环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它们才可能被破坏。
因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。
实际发动机的统计表明，c1=（1.5~2.5）b1，c2=c3=（1~2）b1，汽油机接近下限，柴油机特别是增压柴油机取上限，因为后者负荷重。
3.活塞环数活塞环数目对活塞头部的高度H1有很大影响。
目前高速汽油机一般用2~3道气环和一道油环4.活塞销上面的裙部长度确定好活塞头部环的布置以后，高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（一般是油环槽）的距离h’。
为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。
现代高速内燃机活塞的压缩高度在下述范围内：汽油机H1=0.45~0.6）D，柴油机H1=（0.6~0.8）D。
由于这一尺寸的变化直接影响发动机的压缩比，在柴油机中有可能造成活塞与气门碰撞的故障，所以要保证严格的公差，一般规定H1±0.05。
（二）活塞顶和环带断面1.活塞顶活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。
仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。
活塞环
活塞环(Piston Ring)崁入活塞槽沟的环，分为两种：压缩环和机油环。
压缩环可用来密封燃烧室内的压缩空气；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。
活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。
往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。
[编辑本段]注意事项安装活塞环时应注意1）活塞环平装入气缸套内，接口处要有一定的开口间隙。
2）活塞环应装在活塞上，在环槽中，沿高度方向要有一定的边间隙。
3）镀铬环应装在第一道，开口不要对着活塞顶部的涡流凹坑方向。
4）各活塞环开口在互相错开120℃，均不准对着活塞销孔。
5）锥形断面活塞环，安装时锥面应向上。
6）扭转环安装时，倒角或切槽应向上。
7）安装组合环时，应先装轴向衬环，再装扁平环和波形环。
波形环上边装两片扁平环，下边装一片扁平环，开口应相互错开。
[编辑本段]应用范围活塞环广泛地用在各种动力机械上，如蒸汽机、柴油机、汽油机、压缩机、液压机等，广泛用于汽车，火车，轮船，游艇等。
一般活塞环安装在活塞的环槽里，它和活塞、缸套、缸盖等元件组成腔室做功。
[编辑本段]活塞环对燃油发动机的意义活塞环是燃油发动机内部的核心部件，它和汽缸，活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封常用汽车发动机有柴油和汽油发动机两种，由于其燃油性能不同，其使用的活塞环也不尽相同，早期的活塞环靠铸造形成，但随着技术的进步，钢制的高功率活塞环诞生，且随着对发动机功能，环境要求的不断提高，各种先进的表面处理应用其中，如溶射，电镀，镀铬，气体氮化，物理沉积，表面涂层，锌锰系磷化处理等，使活塞环的功能大大提高。
[编辑本段]功能活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向（支承）四个作用。
密封：指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。
漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务；调节机油（控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑。
活塞环_路沃技术交流--ATG
GOE12
GOE13
GOE32
GOE52
GOE56
500:1
500:1
500:1
500:1
500:1
● 钢材质
材 料 代 号
材 料 类 型
硬 度 （HV） 380以上 400以上 氮 化 270～390
弹性模量 （GPa） ≈196 ≈186 ≈196
抗弯强度 （MPa） 1270以上 1470以上 1270以上
Inside surface Radial wall thickness(a1) Butt ends periphery
自由开口 环高 侧面 外圆棱边
Total free gap Ring width( h1) Side faces Periphery edges
四、活塞环材料介绍
ATG活塞环材质 活塞环材质
路沃活塞环应用技术交流
安庆帝伯格茨活塞环有限公司
ANQING TP GOETZE PISTON RING CO., LTD .
Presented to Customers. 2010 ChongQing, China
一、活塞环功能介绍
1、气密功能 、 2、气密功能 、
3、导热功能 、
4、支撑功能 、
金相组织 片状石墨 + 珠光体 片状石墨 + 珠光体
细片石墨 + 调 质组织 + 细小 碳化物
主
要
用
途
GOE12 GOE13 GOE32 （F14） GOE52 （KV1） GOE56 （KV4）
中小型柴油机的压缩环和油环
220 - 320
95 - 125
420以上
中小型柴油机的压缩环和油环
活塞环
止口定位
工艺简单，外形 尺寸大，定位不 可靠
套筒定位
定位可靠，加工 复杂
锯齿定位
贴合紧密，定位 可靠 结构紧凑
斜切口连 杆定位
4. V型发动机连杆结构
主副连杆 并列连杆 叉形连杆
环的特点。 3、V型发动机连杆的布置方式有哪几种？各
有何特点？
3）锥面环
锥面环特点
环的外圆面为锥面，理论上为线接 触。
工作过程
活塞下行： 能刮油 活塞上行：锥面油楔作用浮起，减
少磨损，不泵油
扭曲锥面环
扭曲环的外圆面为锥面 正反扭曲锥面环
4）梯形环
梯形环特点
断面为梯形，抗粘结性好， 避免环被粘结而折断
侧向力换向活塞左右摆动 时，梯形环的侧隙发生变 化，将环槽中的胶质挤出
半浮式： 活塞中部 与连杆小 头采用紧 固螺栓连 接，活塞 销只能在 两端销座 内作自由 摆动。多 用于小轿 车
四、连 杆 组
连杆组成与功用 连杆工作条件与材料 连杆结构（※） V型发动机连杆结构
1. 连杆组成与功用
连杆衬套
连杆体
连杆螺栓
连杆轴承上 轴瓦
连杆轴承下 轴瓦
连杆盖
连杆 螺栓
连杆组成与功用
力
活
曲
塞
轴
连
杆
往复
旋转
运动
运动
2. 连杆工作条件与材料
复杂的平面运动
受压缩、拉伸和弯 曲等交变载荷
具有足够抗疲劳强 度和结构刚度
质量应尽可能小
连杆体 连杆盖
连杆螺栓
优质中碳钢或中 碳合金钢
优质合金钢
如45、42CrMo 40Cr 、40MnB
活塞环和密封环手册
Ｃ．Ｈ Ｉ Ｉ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … —Ｒ Ｋ Ｄ ． Ｉ —Ｄ Ｉ Ｒ Ｋ ＴＥ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Ｅ．Ｒ Ｉ Ｋ—Ｓ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Ｆ． Ｉ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Ｒ Ｋ Ｇ． ＴＨ ＥＲ Ｍ ｏ —Ｒ Ｉ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Ｋ
５８ ６１ ６２ ６ ４ ６５
Ｈ． Ｋ Ｌ ＲＩ — ｏＹ 青 铜 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ６ ６
Ｉ Ｓ Ｎ ＴＥＲ —Ｒ Ｉ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ．Ｉ Ｋ ６７
Ｅ 等 离子 喷涂 和 火焰喷涂 （ ）… …… …… …… …… …… …… … ……… … ……… … ……… ７ ． ＲＦ １
活塞环常识
2．2．2 闭口间隙（图 2.6） ■ 活塞环在名义缸径中两开口端之间的距离； ■ 在考虑热膨胀因素基础上，较小的闭口间隙有利于密
封气体和降低机油消耗； ■ 闭口间隙过小将导致环卡死而失去功效； ■ 闭口间隙过大将导致较大的气体泄漏和机油消耗。
11
仪征双环用户手册
CUSTOMER MANUAL
活塞环 闭口间隙
中，第一道及第二道环对导热起主导作用，从而确保活塞 热平衡。（图 2.2）
9
仪征双环用户手册
CUSTOMER MANUAL
气 图 2.1 图 2.2
图 2.3
图 2.4
图 2.5
第二章 活塞环常识
2．1．3 控油功能 将飞溅或喷射到缸壁上的机油均匀地布在气缸壁上，
并将多余的机油刮下，刮下的机油经活塞与缸套间隙、活 塞油槽泄油孔回流至曲轴箱。其中油环控制约70—90%的 机油，气环控制约 10 — 20% 的机油。（图 2.3、图 2.4）
气缸 切向弹力
闭口间隙
径向弹力
图 2.6
图 2.7 图 2.8
第二章 活塞环常识
2．2．3 自由开口（图 2.7） ■ 活塞环自由状态下开口两端间的距离； ■ 自由开口过小，其安装应力大，不利于活塞环安装； ■ 自由开口过大，其工作应力大，不利于活塞环工作。
2．2．4 环高（图 2.8） ■ 较大的环高其刚性好，但惯性力大，但不利于实现环的
2．3．2 桶面环(图 2.12） 能适应活塞的摆动，运动中能有效形成动压润滑，由
于与气缸接触面积小而能有效缩短初期磨合，密封能力强， 用于各种中、高速发动机压缩环。
2．3．3 梯形环（图 2.13） 梯形环的径向运动可将环槽中的积碳挤出，有效防止
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内部资料 注意保密
GOETZE 活塞环手册
南京飞燕活塞环股份有限公司
NANJING FAYN PISTON RING CO.,LTD.
GOETZE 活塞环手册
翻译说明
Federal-Mogul 公司在活塞环的设计、制造方面举世闻名，引导着活 塞环行业的发展。Federal-Mogul 公司编制的《GOETZE 活塞环析、测试测量等 方面做了系统的阐述，值得我们学习和借鉴。
9 活塞环材料-----------------------------------------------------------------------37 10 外圆耐磨涂层------------------------------------------------------------------40
10.1 外圆镀铬-------------------------------------------------------------------40 10.2 热喷涂----------------------------------------------------------------------42 10.3 PVD 涂层-------------------------------------------------------------------44 10.4 氮化和碳氮共渗----------------------------------------------------------45 11 表面处理-------------------------------------------------------------------------46 11.1 镀锡和镀铜---------------------------------------------------------------- 46 11.2 磷化--------------------------------------------------------------------------46 11.3 黑色氧化--------------------------------------------------------------------46 11.4 CPS 和 CPG-----------------------------------------------------------------46 12 环侧面强化----------------------------------------------------------------------46 12.1 镀铬--------------------------------------------------------------------------46 12.2 氮化--------------------------------------------------------------------------47 13 活塞环制造----------------------------------------------------------------------48 14 使用经验-------------------------------------------------------------------------48 14.1 典型环组案例--------------------------------------------------------------48 14.2 性能优化的潜在设计-----------------------------------------------------51 15 参考书目-------------------------------------------------------------------------54 16 附录-------------------------------------------------------------------------------58 16.1 缸套/活塞环磨损测量----------------------------------------------------58 16.2 材料规格--------------------------------------------------------------------62
3.3.1 单片式油环------------------------------------------------------------17 3.3.2 多片式油环------------------------------------------------------------18 4 活塞环接口-----------------------------------------------------------------------21 5 接口凹槽--------------------------------------------------------------------------22 6 发动机工作-----------------------------------------------------------------------23 6.1 机油耗------------------------------------------------------------------------23 6.2 窜气---------------------------------------------------------------------------26 6.3 尾气排放---------------------------------------------------------------------28 7 摩擦--------------------------------------------------------------------------------29 7.1 磨损---------------------------------------------------------------------------29 7.2 拉缸---------------------------------------------------------------------------30 7.3 微焊---------------------------------------------------------------------------32 7.4 摩擦力------------------------------------------------------------------------33
《GOETZE 活塞环手册》2008 版是最新版本，它沿用了 2003 版的 大部分内容，重点在材料规格中补充、更改了一些内容，在正文的描述 中也做了细节上的改动。