浅谈发动机轻量化趋势于活塞环的影响.pdf

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1、周革华：浅谈发动机轻量化趋势于活塞环的影响浅谈发动机轻量化趋势于活塞环的影响neEngineLightweightTrendforInfluenceofPistonRings周革华(安庆市德奥特汽车零部件制造有限公司)(摘要】本文简单介绍了发动机轻量化趋势，并就此趋势具体分析了其对活塞环的影响。力图理顺如下关系：发动机轻量化及其性能提高的要求导致活塞环薄型化，为满足薄型化设计采用钢质活塞环材料，为改善钢质材料的耐磨性和抗咬合性，其表面处理逐步高档化。[关键词】发动机轻量化活塞环铸铁钢质薄形化DLC涂层Keywords：Enginelightweig

2、htPistonringsCastironSteelThinnerDLCCoating近年来。活塞环业内人士普遍认为活塞环薄型化、材料钢质化、表面处理高档化是其技术发展趋势。准确的说这一趋势是发动机技术发展导致的结果。活塞环虽然是发动机的一个关键零部件，但从目前国内整机厂家与活塞环供应商的合作模式来看，基本上还是整机厂家掌握活塞环的设计，活塞环厂家只是按整机厂家的设计来制造。随着中国发动机产业的发展，以后整机厂家和活塞环厂家联合设计活塞环是可能的发展方向。为什么现在出现了活塞环薄形化、钢质化等趋势，需要介绍下发动机的轻量化设计。发动机轻量化这一概念

3、最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解。重量轻了，可以带来更好的操控性。发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于质量轻，起步加速性能更好，刹车制动距离更短，提升了安全性。随着“节能环保”的要求越来越高。现在轻量化已经广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性、减少废气排放的同时还能有出色的节油表现。有研究数字显示，若汽车整车质量降低10％，燃油效率可提高6％一8％，因此发动机的轻量化对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。另外由于新材料、新工艺的采用，车身、底盘、车桥等部件质量在逐步下降．若发动机的质量不降低势必导致整车的均衡性受

4、到破坏。所以发动机的轻量化已经是产业发展的必然趋势。本文的重点不在于深入讨论发动机轻量化，而是想探讨一下发动机轻量化趋势对于活塞环的影响。在保证一定工作容积的基础上，降低活塞、活塞环组件的尺寸往往成为发动机设计人员的直接考虑，具体到活塞环就是降低轴向和径向厚度。这种改变是最直观的变化，目前为发动机轻量化设计普遍采用。降低活塞环的轴向和径向厚度不仅能减小其本身及相关配合部件的尺寸，同时还具有其它一些好处。例如环的惯性降低，能够防止环向上抬起，这样窜气量也就减少了。越是高转速发动机，其惯性力的影响就越大，减少环高尺寸来降低窜气量是行之有效的。油环的轴向

5、尺寸对机油耗也是有影响的，这是由活塞的头部摆动现象引起的．应尽量降低油环不随那种摆动而一起随动。实验表明轴向尺寸小的油环的机油耗要对应少些。降低环高还可以减小摩擦。在充分润滑条件下，在任何给定的壁面压力下，第一道环的摩擦大致与环高成正比。环高从1．5mm减小到1．2mm，第一道环的摩擦就会减少约20％。既然降低活塞环的环高对发动机轻量化有直接影响。又有提高密封性和降低机油耗等诸多好处，那么是不是可以随意降低，这里就需要谈下活塞环的设计以及材料。众所周知，活塞环之所以能在气缸内能起密封作用。是由于活塞环具有一定的弹力，而活塞环弹力的获得及其大小，除活

6、塞环的几何形体和残留应力外，活塞环材料本内燃机与配件2013年第8期身所具有的弹性是十分重要的。衡量材料的弹性．通常以弹性模量表现。另外我们知道在活塞环设计时，在确定了弹力(面压)后应考虑多项满足条件，这其中有两种应力是必须要考虑的．安装应力和工作应力。安装应力过大容易造成断环或过度变形失去圆度；工作应力过大会造成较大的弹力消失。关于弹性模量以及应力的理论计算公式及材料性能如表1。弹性模量：E：124T,rr—r2M石00nlal。叩工作应力：61_0．425E皆中安装应力：8n--0．425E—皆巾式中E：弹性模量、so：自由开口、S，：闭口间隙

7、、S。7：安装扩El、D：公称直径、a。：径向厚度、巾：惯性矩系数(矩形截面Il，=1)、r：活塞环径向平均半径、M：活塞环闭合时的弯矩。表1弹性模模量许用安装应许用工作应序号材料(MPa)力(MPa)(MPa)85000～l合金铸铁5003001150002球墨铸铁≥1500009004503硅铬钢≥19000011005004马氏体不锈钢≥20D000900500通过计算可以知道，在保证相同面压的情况下，降低活塞环轴向厚度后，其工作应力会大幅提高，甚至超出了许用应力要求。而且在需要同时保证弹力和自由开口的情况下就必须要改变材料的弹性模量．由此产

8、生了铸铁材料无法满足要求的矛盾。从上表可以看出，钢质材料的弹性模量、许用工作应力和安装应力明显高于合金铸铁和球墨铸铁。这就