發(fā)動機活塞環(huán)的影響因素及減磨措施

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    活塞環(huán)是發(fā)動機的關(guān)鍵件之一，其工作的好壞直接影響發(fā)動機的性能。同時，活塞環(huán)又是易損件，檢修活塞環(huán)時，通常要吊出活塞，因此，常常把檢修或更換活塞環(huán)的時間作為發(fā)動機的第一次檢修期限。 

    近年來，由于發(fā)動機向高速和強化方向發(fā)展，活塞環(huán)的工作條件越來越苛刻，對其耐磨性也提出了更高的要求。

    活塞環(huán)的磨損及影響因素

    汽車發(fā)動機的活塞環(huán)和缸套之間的磨損具有如下幾個特點：

    1．活塞環(huán)在上下止點之間作往復(fù)運動，速度從靜止?fàn)顟B(tài)變化到最高達(dá)30m/s左右，如此反復(fù)的做大幅度變化。2．做往復(fù)運動時，在工作循環(huán)的進氣、壓縮、做功和排氣行程中，汽缸壓力變化很大。

    3．因為受燃燒行程的影響，活塞環(huán)的運動經(jīng)常是在高溫下進行的，特別是第一道氣環(huán)，在高溫高壓及燃燒生成物所產(chǎn)生的化學(xué)作用下，油膜很難建立，使其實現(xiàn)完全潤滑比較困難，而常常處于臨界潤滑狀態(tài)。

    根據(jù)磨損機理，活塞環(huán)磨損可分為正常磨損、熔著磨損（劃傷，擦傷）、磨料磨損及腐蝕磨損。但這些磨損現(xiàn)象不會單獨出現(xiàn)，而是同時存在并且相互影響。按照磨損部位，活塞環(huán)磨損又可分為滑動面磨損和上下端面磨損。一般來說，滑動面磨損比上下端面磨損大，滑動面主要是熔著磨損和磨料磨損；上下端面則以因活塞做往復(fù)運動而引起的撞擊磨損為主。

    活塞環(huán)滑動面最大磨損常出現(xiàn)在汽缸上止點位置，因為該處受高溫氣體作用，破壞了油膜，造成易于熔著的條件，從而加速了活塞環(huán)的磨損。通常所謂的正常磨損實際上包含了輕微的熔著磨損和磨料磨損。各道環(huán)滑動面磨損量不一樣，第一道氣環(huán)磨損量最大，第二道環(huán)約為第一道的一半左右，油環(huán)的磨損量最小。例如，裝在斯太爾WD615發(fā)動機上的活塞環(huán)經(jīng)過500h可靠性試驗后，第一道氣環(huán)開口間隙磨損為0.4～0.6mm，第二道開口間隙磨損為0.25～0.4mm，油環(huán)開口間隙磨損為0.3～0.55mm。但有時油環(huán)磨損比中間幾道環(huán)還大，這是由于受到汽缸表面潤滑油分布和吸附雜質(zhì)的影響。

    活塞環(huán)上下端面的磨損主要是因為機油燃油中的硬性殘渣以及從大氣中混進的塵埃顆粒在上下端面上形成的機械研磨，本質(zhì)上是磨料磨損。可是，當(dāng)出現(xiàn)活塞的異常熱變形、環(huán)槽側(cè)隙變小時，也可能發(fā)生熔著磨損。

    影響活塞環(huán)磨損的因素很多，其中活塞環(huán)的材料和形狀、汽缸套活塞的材料和結(jié)構(gòu)、潤滑狀態(tài)、發(fā)動機的結(jié)構(gòu)形式、運轉(zhuǎn)條件、燃油和潤滑油的品質(zhì)等是主要因素。當(dāng)然，在同一汽缸中，潤滑狀態(tài)對活塞環(huán)磨損的影響則是最大的，可以說，活塞環(huán)的磨損在很大程度上取決于潤滑狀態(tài)。理想的環(huán)面間潤滑為兩滑動面間有一層均勻的油膜，然而這種情況事實上并不存在，特別是第一道氣環(huán)，由于受高溫的影響，很難建立起較理想的潤滑狀態(tài)。

    活塞環(huán)的減磨措施

    由于影響活塞環(huán)磨損的因素很多，而且這些因素往往是交織在一起的。另外，發(fā)動機的類型及使用條件不同，活塞環(huán)的磨損也有很大差別，因而不能只靠改善活塞環(huán)本身的結(jié)構(gòu)和材料來解決問題，主要可以從以下幾個方面來著手：活塞環(huán)和汽缸套的材料及良好的匹配；表面處理；結(jié)構(gòu)狀態(tài)；潤滑油及添加劑選擇；由于裝配及運轉(zhuǎn)時受熱而導(dǎo)致的汽缸套及活塞的變形等。

    下面主要探討材料、結(jié)構(gòu)及表面處理等方面的措施。

    1．選擇匹配性能良好的材料

    就減少磨損而言，作為活塞環(huán)的材料，首先必須具備良好的耐磨性和貯油性。一般來說，必然是第一道氣環(huán)比其它環(huán)磨損較多，因此，特別有必要使用善于保持油膜而不被破壞的材料。具有石墨組織的鑄鐵之所以受到重視，其原因之一就是它具有良好的貯油性和耐磨性。

    為進一步提高活塞環(huán)的耐磨性，可在鑄鐵中加入不同種類和含量的合金元素，例如現(xiàn)在發(fā)動機普遍采用的鉻鉬銅合金鑄鐵環(huán)，在耐磨性和貯油性方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點。

    總之，活塞環(huán)所用材料最好是能形成合理的軟基體加硬質(zhì)相的耐磨結(jié)構(gòu)，使活塞環(huán)在初期磨合時易于磨損，磨合后又難于磨損。另外，與活塞環(huán)相配合汽缸的材質(zhì)對活塞環(huán)的磨損也有很大影響。一般來說，配磨材料的硬度差為零時磨損最小，隨著硬度差增大，磨損也隨之增大。但是，在選材的同時，最好是在兩個零件都有最長壽命的前提下，使活塞環(huán)比汽缸更早達(dá)到磨損極限，這是因為更換活塞環(huán)比更換汽缸套較經(jīng)濟和容易。

    對于磨料磨損，除考慮硬度外，還必須考慮活塞環(huán)材料的彈性影響，韌性強的材料難磨損，抗磨性也高。

    2．結(jié)構(gòu)形狀改進

    幾十年來，國內(nèi)外對活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)提出了許多改進，而將第一道氣環(huán)改成桶面環(huán)的成效最顯著。因為，桶面環(huán)有一系列的優(yōu)點，就磨損而言，桶面環(huán)不管向上還是向下運動，潤滑油均能靠油楔作用把環(huán)浮起，保證良好的潤滑。另外桶面環(huán)還能避免棱緣負(fù)荷。目前，在強化柴油機中已普遍采用桶面環(huán)作為第一道環(huán)，其他類型的柴油機中也較普遍地采用了桶面環(huán)。

    至于油環(huán)，國內(nèi)外現(xiàn)在普遍采用的內(nèi)撐螺旋彈簧鑄鐵油環(huán)具有很大的優(yōu)點，這種油環(huán)本身撓性很好，對變形后的汽缸套有極好的適應(yīng)性，從而可以保持良好的潤滑，減少磨損。

    為減少活塞環(huán)的磨損，對活塞環(huán)組的斷面結(jié)構(gòu)形狀要進行合理的搭配，保持良好的密封和潤滑油膜。

    另外，為減少活塞環(huán)的磨損，對汽缸套和活塞的結(jié)構(gòu)要進行合理的設(shè)計，如斯太爾WD615發(fā)動機汽缸套采用平臺網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，在磨合過程中，汽缸套和活塞環(huán)的接觸面積減少，能保持液體潤滑，磨損量極小；再者，網(wǎng)紋起貯油槽作用，提高了汽缸套保持潤滑油的能力，因此，對減少活塞環(huán)和汽缸套的磨損十分有利。現(xiàn)在發(fā)動機普遍采用了這種汽缸套結(jié)構(gòu)形狀。為減少活塞環(huán)上下端面的磨損，活塞環(huán)和環(huán)槽的端面要保持適當(dāng)?shù)拈g隙，以避免過大的沖擊負(fù)荷。另外，在活塞上環(huán)槽鑲嵌耐磨奧氏體鑄鐵襯圈，也可以減少上下端面的磨損，但這種方法除特殊情況外沒必要全面推廣。因它的工藝較難掌握，成本也較高。

    3．表面處理

    能比較明顯減少活塞環(huán)磨損的方法是進行表面處理。現(xiàn)在采用的表面處理方法很多，就其作用而言，可歸納為以下三大類：

    1)提高表面硬度以減少磨料磨損。即在環(huán)的工作表面上形成一種非常硬的金屬層，使松軟的鑄鐵磨料不易嵌入其表面，提高環(huán)的耐磨性。現(xiàn)在最廣泛采用的是松孔鍍鉻，不僅鍍鉻層硬度很高（HV800～1000），摩擦系數(shù)很小，而且松孔鍍鉻層具有良好的貯油結(jié)構(gòu)，因此能顯著提高活塞環(huán)的耐磨性。另外，鍍鉻成本低，穩(wěn)定性好，在大多數(shù)情況下均具有較好使用性能。因此，現(xiàn)代汽車發(fā)動機的第一道環(huán)都使用鍍鉻環(huán)，而油環(huán)也幾乎百分之百使用鍍鉻環(huán)。實踐證明，活塞環(huán)鍍鉻后，不僅其本身的磨損小，而且其它沒有鍍鉻的活塞環(huán)和缸套磨損也小。

    對高速或強化發(fā)動機來說，其活塞環(huán)不僅要外圓表面鍍鉻，而且上下端面也要鍍鉻，減少端面磨損，所有環(huán)組外園面最好全部鍍鉻，以減少整個活塞環(huán)組的磨損。

    2)改善活塞環(huán)工作表面的貯油能力和抗熔著能力以防熔著磨損。活塞環(huán)工作表面上的潤滑油膜在高溫下被破壞，有時會形成干摩擦，如果在活塞環(huán)表面施加一層具有貯存機油及抗熔著的表面覆層，則能減少熔著磨損，提高環(huán)的抗拉缸能力。活塞環(huán)噴鉬就具有極高的抗熔著磨損能力。一方面由于噴鉬層是多孔組織的貯油結(jié)構(gòu)覆層；另一方面鉬的熔點比較高(2630℃)，干摩擦?xí)r仍能有效地工作。在這種情況下，噴鉬環(huán)比鍍鉻環(huán)有更高的抗熔著能力。如R4100型柴油機，開始時采用鍍鉻環(huán)，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)拉缸，采用噴鉬環(huán)后基本上解決了該問題。但噴鉬環(huán)耐磨料磨損能力比鍍鉻環(huán)差，另外，噴鉬環(huán)成本較高且結(jié)構(gòu)強度難以穩(wěn)定。因此除非十分需要噴鉬外，最好采用鍍鉻。

    3)改善初期磨合的表面處理。這種表面處理是在活塞環(huán)表面覆蓋一層適當(dāng)軟度、富有彈性的易損物質(zhì)，使環(huán)與汽缸套突出部分相接觸而加速磨損，從而縮短磨合期，使環(huán)良好地進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。目前較普遍采用的是磷化處理。在活塞環(huán)表面上形成一種質(zhì)地柔軟、易于磨損的磷化膜，由于磷化處理所需設(shè)備簡單、操作方便、成本低、效率高，所以在小型發(fā)動機的活塞環(huán)工藝上普遍采用。另外，鍍錫和氧化處理也可改善初期磨合。

    在活塞環(huán)表面處理中，鍍鉻和噴鉬是最普遍采用的方法。另外，根據(jù)發(fā)動機種類、結(jié)構(gòu)、用途及工況不同也有采用其他的表面處理方法的，如軟氮化處理、硫化處理、填充四氧化三鐵等。

    活塞環(huán)的磨損是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象，形成因素很多，而且往往復(fù)雜交織在一起，因此，在解決活塞環(huán)磨損問題時，必須全面分析各種因素，以便在設(shè)計、材料、制造工藝、表面處理和潤滑劑等方面合理安排，最終達(dá)到滿意的效果。