淺談活塞環(huán)的作用和失效模式

趙世來，王相凱，張治國，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

活塞環(huán)是發(fā)動機(jī)內(nèi)部運動件，發(fā)動機(jī)在工作時，隨著活塞一起往復(fù)運動。從外觀看，環(huán)結(jié)構(gòu)很簡單，但是在實際中，卻起到驚人的作用，對于氣環(huán)來說，其密封性直接影響發(fā)動機(jī)的動力；油環(huán)的刮油效果，直接影響到機(jī)油的消耗量。這里我們詳細(xì)介紹一下活塞環(huán)的作用和失效模式。

1 活塞環(huán)的作用

1.1 密封作用

燃燒室是由汽缸、汽缸蓋、活塞、活塞環(huán)、氣門等組成。

燃燒室必須盡可能的密封氣體，這樣才能使得可燃?xì)怏w快速燃燒，推動汽缸中的活塞向下運動，帶動曲軸轉(zhuǎn)動，此功能稱為“密封氣體”。見圖1。

其中第一道環(huán)能密封 80-90%的氣體；第二道環(huán)能密封10-20%的氣體；油環(huán)能密封約5%的氣體。

圖1

1.2 控油作用

活塞環(huán)的控油作用：是指避免機(jī)油過多進(jìn)入燃燒室，將機(jī)油消耗保持在所需水平，同時降低有害廢氣排放。

其中油環(huán)控制約70-90%的機(jī)油，氣環(huán)控制約10-20%的機(jī)油。見圖2。

1.3 傳熱作用

活塞環(huán)的傳熱作用：指活塞環(huán)將熱量從高溫的活塞傳導(dǎo)至冷卻的汽缸壁或發(fā)動機(jī)缸體上。

傳熱的途徑：活塞—活塞環(huán)—汽缸—冷卻介質(zhì)（缸體）。

傳熱效率：70%-80%的熱量從活塞環(huán)槽經(jīng)由活塞環(huán)傳至汽缸壁。見圖3。

圖2

圖3

1.4 支撐作用

活塞環(huán)的支撐作用：是指避免活塞與缸套發(fā)生撞擊現(xiàn)象，減小磨損。見圖4。

圖4

2 活塞環(huán)的失效模式

2.1 活塞環(huán)裝反

失效現(xiàn)象

活塞環(huán)的標(biāo)記面顯示工人在安裝時以把環(huán)裝反，帶有打刻的側(cè)面被安裝在活塞環(huán)槽的下表面，（圖 5）正確安法是TOP面朝上（活塞頂面）。

圖5

分析原因

當(dāng)發(fā)生這種情況時，活塞環(huán)達(dá)不到預(yù)期效果。

對于第一氣環(huán)而言，它的主要作用是密封氣體。如果安反，容易使燃燒室內(nèi)的空氣向曲軸箱泄漏，在燃燒室內(nèi)形成不良的可燃?xì)怏w。潤滑油溫度和曲軸箱壓力增加。

對于第二環(huán)而言，起到密封同時，還會起到控油的作用。如果安反，機(jī)油耗會增加，因為活塞環(huán)不是向下刮油，相反是向上泵油，使機(jī)油和可燃?xì)怏w在燃燒室內(nèi)參與燃燒，碳顆粒增加，還會加大對潤滑油的污染，對發(fā)動機(jī)的運動產(chǎn)生很大的影響，特別是活塞裙部，軸瓦，襯套等。

2.2 彈簧口與鋼帶口重合

失效現(xiàn)象

螺旋撐簧油環(huán)中的彈簧開口，在裝配時，與環(huán)體開口重合，嚴(yán)重影響其本身的彈力。（圖 6）

圖6

分析原因

在裝配油環(huán)的過程中，一旦裝成圖示樣式，影響油環(huán)的徑向壓力，影響到刮油的效果，徑向壓力減小，將使油耗增加。這種螺旋撐簧油環(huán)，要保證彈簧開口和環(huán)體開口成180°。

如果是3片式油環(huán)，那么3片的開口分別成90°放置。

2.3 安裝時有雜質(zhì)

失效現(xiàn)象

活塞環(huán)在接觸面和兩個側(cè)面附著雜質(zhì)。（見圖7）

圖7

分析原因

在發(fā)動機(jī)裝配過程中活塞環(huán)被雜質(zhì)污染。沒有按照發(fā)動機(jī)制造商或生成商規(guī)定使用密封粘合劑，密封活塞環(huán)。因此，被污染的活塞環(huán)由于粘合劑的介入，壓力在外圓不均勻分布，導(dǎo)致密封功能減弱，活塞環(huán)壽命縮短，導(dǎo)致機(jī)油耗增加，缸體不正常磨損。

2.4 安裝工具有問題

失效現(xiàn)象

活塞環(huán)扭曲（開口端移位）或變形。（圖 8、圖9、圖10）

圖8

圖9

圖10

分析原因

安裝活塞環(huán)到環(huán)槽時工具使用不當(dāng)，活塞環(huán)受到不良張力而變形，呈螺旋狀。因此，已安裝活塞環(huán)的兩端在環(huán)槽的側(cè)面形成局部壓力，磨損區(qū)域，緊接著使側(cè)面的密封性減弱，在這種情況下，活塞環(huán)不能在環(huán)槽內(nèi)轉(zhuǎn)動，在運行面和汽缸壁產(chǎn)生不正常磨損現(xiàn)象。

在安裝活塞環(huán)到活塞上時，用來夾緊活塞環(huán)并將其裝入汽缸的工具叫活塞環(huán)專用卡鉗，如果卡鉗沒有完全把活塞環(huán)裝入環(huán)槽內(nèi)，他的側(cè)面將與汽缸上壁相碰撞，這可能造成活塞環(huán)斷裂。（圖10）

2.5 磨削雜質(zhì)

失效現(xiàn)象

以下環(huán)顯示了運行面（圖 11、圖12、圖 13、圖14、圖15）和側(cè)面（圖 16、圖17）劃傷和早期磨損。

圖11

圖12

圖13

圖14

圖15

圖16

圖17

分析原因

空氣中含有不同尺寸的固體雜質(zhì)，這些雜質(zhì)，如沙子，灰塵，碳或其它。當(dāng)他們被吸入發(fā)動機(jī)，引起活塞環(huán)的嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致活塞環(huán)運行面和側(cè)面的表面早期磨損，徑向厚度減小，開口間隙增加，壓力降低，性能下降。

由以下原因會引起活塞環(huán)磨削污染

（1）空氣濾清器有缺陷：濾芯或使用不正確，氣管有洞或開裂，夾子損壞，進(jìn)氣系統(tǒng)不密封。

（2）加工殘留雜質(zhì)：鏜孔后的磨削顆粒、風(fēng)卷進(jìn)來的雜質(zhì)以及發(fā)動機(jī)原件，比如缸蓋釋放出來的顆粒沒有清楚干凈。

（3）燃油濾清系統(tǒng)：燃油濾清器使用不正確或燃油質(zhì)量不好。

2.6 潤滑不足

失效現(xiàn)象

活塞環(huán)運行面上有明顯的刮傷。（圖18—圖22）

分析原因

（1）潤滑油有一系列的功用，其中兩種作用是：冷卻發(fā)動機(jī)零件和減少運動件之間的摩擦。當(dāng)燃燒在活塞頂部發(fā)生時，產(chǎn)生熱量由活塞環(huán)消散?；钊h(huán)把熱量傳遞到汽缸壁和壁上的潤滑油?；钊h(huán)和汽缸形成的油膜大幅度減少。

（2）噴油系統(tǒng)有缺陷：缸壁油膜變稀，主要原因是噴油嘴沒有調(diào)整正確。如果是汽油機(jī)，這樣就會使汽缸壁的潤滑油清洗掉。無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，汽缸壁缺乏潤滑油的現(xiàn)象將使摩擦加劇和環(huán)的熱量增加，導(dǎo)致碎片和引起缸體擦傷或卡死，或者引起氣缸過度磨損。

（3）潤滑系統(tǒng)缺陷：磨損的潤滑油泵將降低其泵油功能，因此，在油路中壓力減小，危害發(fā)動機(jī)潤滑，在這種情況下產(chǎn)生上述提到磨損。

圖18

圖19

圖20

圖21

圖22

3 結(jié)論

發(fā)動機(jī)的失效模式不是孤立存在在，都是存在連帶關(guān)系，無論哪個零件失效都會影響到發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)，例如，氣環(huán)密封不好，會導(dǎo)致高溫氣體下竄，燒機(jī)油，積碳增多，潤滑效果差，導(dǎo)致干磨。

多種失效模式的積累，對我們今后排除疑難問題是有幫助的。

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