活塞環(huán)技術交流課件

P0活塞環(huán)基礎知識及技術發(fā)展南京飛燕活塞環(huán)股份有限公司2012-11P1活塞環(huán)技術發(fā)展2活塞環(huán)基礎知識及制造工藝1失效模式分析3P2一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝1.1活塞環(huán)的基本功用1.2活塞環(huán)的幾種結構特征1.3幾個常用公式1.4活塞環(huán)制造工藝簡介活塞環(huán)基礎知識及制造工藝1P3●密封●導熱●控油●支撐

1.1活塞環(huán)的基本功用一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P4

在壓縮和膨脹沖程，活塞環(huán)對由上而下的燃燒氣體起密封作用?！衩芊飧鞯拉h(huán)密封量第一密封面第二密封面一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P5

活塞約70%的熱量是通過活塞環(huán)端面、外圓導入缸套?！駥岣鞯拉h(huán)導熱量一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P6

將飛濺、噴射到缸壁上的機油均勻地分布在氣缸壁上，將多余的機油刮下，建立起油膜，刮下的機油經(jīng)活塞和缸套的間隙、活塞油槽泄油孔回流至曲軸箱?！窨赜蜌猸h(huán)刮油10-20%油環(huán)刮油80-90%一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P7

活塞、活塞環(huán)作同步往復運動時，活塞對活塞環(huán)施加往復慣性力。連桿對活塞產(chǎn)生側壓力，并使活塞偏擺，活塞環(huán)施加摩擦反作用力，從而對活塞起支撐作用?！裰巫饔媚Σ练醋饔昧σ弧⒒钊h(huán)基礎知識及制造工藝P81.1活塞環(huán)的基本功用1.2活塞環(huán)的幾種結構特征1.3幾個常用公式1.4活塞環(huán)制造工藝簡介活塞環(huán)基礎知識及制造工藝1一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P9

梯形環(huán)即截面形狀為等腰梯形的氣環(huán)。受活塞擺動、缸套圓柱度變化、磨損的影響，環(huán)與環(huán)槽會發(fā)生徑向相對運動，環(huán)與環(huán)槽的側隙會發(fā)生變化，環(huán)向外運動時側隙變大，向內(nèi)運動時側隙變小，因此側隙中的油渣、積炭隨同潤滑油一起排出環(huán)槽，可有效防止卡環(huán)現(xiàn)象。（楔形環(huán)同理）1.2活塞環(huán)的幾種結構特征1.2.1梯形環(huán)一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P10正扭曲反扭曲若環(huán)的截面不對稱，在閉合狀態(tài)下會產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，根據(jù)扭曲方向的不同，分為正扭曲、反扭曲。活塞缸套活塞環(huán)1.2.2扭曲環(huán)機油不易通過側隙上竄燃氣不易通過側隙下竄一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P11下端面上端面反扭曲環(huán)使用后的端面磨損形態(tài)一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P12

1.2.3桶面/偏桶面對稱桶面不對稱桶面(偏桶）半鑲嵌鍍一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P13●不對稱桶面工作原理

不對稱桶面的中凸點在中心線以下（類似錐面環(huán)），使活塞環(huán)下行時刮油，形成較薄的油膜。因油楔的存在而使環(huán)在上行時不致向上刮油。即活塞環(huán)在上行時布油，下行時刮油，有利于降低機油耗。一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P14頂環(huán)的工作面下棱邊形狀對封氣和刮油能力有較大影響。對稱倒角不對稱倒角尖角去毛刺1.2.4工作面下棱邊形狀一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P15高壓（正橢圓）等壓（正圓）負壓（負橢圓）壓力型線是影響磨損、環(huán)與缸套貼合能力的一個因素，一般來說，對于爆發(fā)壓力較高的柴油機需采用負壓環(huán)（指開口處對缸套的接觸壓力低于環(huán)周對缸套的平均壓力），對于普通增壓機可采用等壓環(huán)，對于農(nóng)用單缸機等可采用高壓環(huán)。1.2.5氣環(huán)的壓力型線（徑向壓力分布曲線）一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P16用橢圓度來間接描述型線。用柔性薄鋼帶將環(huán)閉合至工作間隙，其短徑與長徑的差值即為環(huán)的橢圓度,Ov=φd3-φd4。橢圓度分為正橢圓、正圓、負橢圓。一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P171.2.6鑄鐵/鋼質(zhì)油環(huán)鑄鐵油環(huán)I型鋼油環(huán)一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P18鑄鐵油環(huán)I型鋼油環(huán)一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P19一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P20活塞環(huán)基礎知識及制造工藝11.1活塞環(huán)的基本功用1.2活塞環(huán)的幾種結構特征1.3幾個常用公式1.4活塞環(huán)制造工藝簡介一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P21面壓計算公式P=整體環(huán)彈力計算公式E=P——面壓（Mpa）；Ft——切向彈力（N）

B——與缸套接觸高度；D——缸徑

T——徑向厚度；L——自由開口

S——閉口間隙；k——截面系數(shù)、表面處理系數(shù)

h——環(huán)高E——材料的彈性模量（MPa）1.3幾個常用公式徑向彈力Fs=2.63Ft(徑向壓縮至閉口間隙時)活塞環(huán)系數(shù)一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P221.1活塞環(huán)的基本功用1.2活塞環(huán)的幾種結構特征1.3幾個常用公式1.4活塞環(huán)制造工藝簡介活塞環(huán)基礎知識及制造工藝1一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P23◎成組加工，批量化生產(chǎn)◎工序復雜◎?qū)C生產(chǎn)◎精度要求高1.4活塞環(huán)制造工藝簡介

1.4.1活塞環(huán)制造工藝的特點一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P24毛坯階段前機加工表面處理后機加工檢驗包裝混砂、造型、熔煉、澆注、熱處理、切片、平面磨等內(nèi)外圓仿形車、切口、修口、倒外角、精車等鍍鉻（復合鍍、噴鉬、氮化等）修口、珩磨、精鏜、光磨、磨楔/梯形、成型磨等平均每道環(huán)約60道工序一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P25鑄造磨削機加工磷化前機加工包裝入庫電鍍或其他表面處理后機加工熱處理彈簧加工檢驗1.4.2鑄鐵環(huán)典型工藝路線見流程圖一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P261.4.1鋼質(zhì)環(huán)典型工藝路線繞圓開口定型前機加工氮化后機加工檢驗包裝入庫一、活塞環(huán)基礎知識及制造工藝P27

隨著汽車尾氣排放法規(guī)的升級、整車使用壽命的延長，發(fā)動機技術取得了重大發(fā)展，一系列新技術得以運用。作為發(fā)動機的一個重要運動件——活塞環(huán)，它必須適應整機的發(fā)展要求。二、活塞環(huán)技術發(fā)展活塞環(huán)技術發(fā)展2P282.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢2.2活塞環(huán)的十大要求2.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術2.4材料技術的發(fā)展2.5表面處理的發(fā)展2.6油環(huán)的發(fā)展2.7典型設計及活塞環(huán)技術發(fā)展2二、活塞環(huán)技術發(fā)展P29a重量輕（更少的環(huán)數(shù)、更小的厚度、減小慣性力）b壽命長（材料、表面處理更加耐磨、性能穩(wěn)定可靠）c摩擦?。ōh(huán)的彈力較低、摩擦功耗小、燃油耗低）d低機油耗（刮油能力強）e低竄氣量（封氣能力強）2.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢二、活塞環(huán)技術發(fā)展P302.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢2.2活塞環(huán)的十大要求2.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術2.4材料技術的發(fā)展2.5表面處理的發(fā)展2.6油環(huán)的發(fā)展活塞環(huán)技術發(fā)展2二、活塞環(huán)技術發(fā)展P31有足夠的彈力使環(huán)與缸壁壓緊。工作面與氣缸、活塞完全貼合。（在缸套與環(huán)工作面之間哪怕存在一個非常微小的間隙也會為高壓燃氣和/或潤滑油提供竄漏通道）所選擇的材料能夠承受燃燒產(chǎn)生的高溫。材料能夠抵擋排氣的腐蝕。能經(jīng)受住高速運動而不喪失功能。2.2活塞環(huán)的十大要求二、活塞環(huán)技術發(fā)展P32環(huán)應該避免不當?shù)倪\動。（即環(huán)在活塞上不致過度敲擊環(huán)槽）在上止點臨界摩擦的情況下也不拉缸。環(huán)應該有足夠的使用壽命。（按整機要求）環(huán)在極端嚴寒或酷暑的情況下也能正常工作。（開普動力為傳遞奧運圣火在珠峰海拔6000米處提供動力）環(huán)在工作時不致產(chǎn)生過大的磨損。二、活塞環(huán)技術發(fā)展P332.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢2.2活塞環(huán)的十大要求2.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術2.4材料技術的發(fā)展2.5表面處理的發(fā)展2.6油環(huán)的發(fā)展活塞環(huán)技術發(fā)展2二、活塞環(huán)技術發(fā)展P342.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術

2.3.1材料技術◎德國格茨材料技術的KV1、KV4、F14、GOE13、K1、K4等◎德國馬勒技術的MF10、MF16、MF111、MF135等◎日本鋼材技術的不銹鋼型材13Cr、17Cr等二、活塞環(huán)技術發(fā)展P35

2.3.2表面處理技術◎鉻與陶瓷復合鍍FTC（鉻基網(wǎng)紋鑲嵌超硬耐磨粒子復合鍍）◎滲陶瓷PCVD◎氮化（等離子氮化、氣體氮化）◎等離子噴鉬◎超音速火焰噴涂HVOF◎端面鍍鉻FSD◎外圓物理氣相沉積PVD二、活塞環(huán)技術發(fā)展P36

2.3.3機加工技術◎負壓型線制造技術——滿足歐3以上排放發(fā)動機高爆發(fā)壓力的需要◎鑲嵌/半鑲嵌鍍技術——保持環(huán)外圓下棱邊尖角，封氣刮油能力強◎鍍鉻環(huán)小倒角技術——優(yōu)化封氣刮油能力◎錐形油帶制造技術——進一步增強刮油能力（LKZ活塞環(huán)）◎I型鋼油環(huán)制造技術——強度高、柔性好、刮油能力強◎鋼質(zhì)氣環(huán)制造技術——滿足頂環(huán)更高強度的需要◎偏桶面珩磨制造技術——估化磨合性能和刮油能力◎超聲波清洗技術——環(huán)面潔凈，清潔度滿足要求二、活塞環(huán)技術發(fā)展P372.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢2.2活塞環(huán)的十大要求2.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術2.4材料技術的發(fā)展2.5表面處理的發(fā)展2.6油環(huán)的發(fā)展活塞環(huán)技術發(fā)展2二、活塞環(huán)技術發(fā)展P38

2.4材料技術的發(fā)展隨著排放要求持續(xù)升級，爆發(fā)壓力、燃燒溫度越來越高，同時發(fā)動機還逐漸向輕量化方向發(fā)展，這些都對活塞環(huán)的材料提出了更高的要求?！蚩箯潖姸群推趶姸取驈椓Ρ３中裕岱€(wěn)定性）◎表面處理的適應性◎耐磨性二、活塞環(huán)技術發(fā)展P39

2.4.1第一道氣環(huán)材料的發(fā)展普通球墨鑄鐵（NHC-7，KV1）高強度球墨鑄鐵（NHC-8，KV4）鋼合金鑄鐵球墨鑄鐵銅鉻釩合金鑄鐵（NHC-6，GOE13）鉻銅合金鑄鐵（NHC-2，K1）高合金鑄鐵（NHC-9，K4/IKA）碳鋼高鉻鋼（NHC-52）二、活塞環(huán)技術發(fā)展P40

2.4.2第二道氣環(huán)材料的發(fā)展合金鑄鐵銅鉻釩合金鑄鐵（NHC-6，GOE13）標準合金鑄鐵（NHC-2，K1）高合金鑄鐵（NHC-9，K4）高強度合金鑄鐵（NHC-5，F(xiàn)14）可煅鑄鐵（GOE44)二、活塞環(huán)技術發(fā)展P41

2.4.3油環(huán)材料的發(fā)展合金鑄鐵銅鉻釩合金鑄鐵（NHC-6，GOE13）標準合金鑄鐵（NHC-2，K1）球墨鑄鐵（NHC-7，KV1）鋼碳素鋼高鉻鋼（NHC-52）用于薄油環(huán)二、活塞環(huán)技術發(fā)展P42NHC-2（K1）NHC-5（F14）NHC-7/8（KV1/KV4）NHC-6（GOE13）鋼NHC-52可煅鑄鐵二、活塞環(huán)技術發(fā)展P43常用鑄鐵材料的特點二、活塞環(huán)技術發(fā)展P44I型鋼質(zhì)油環(huán)材料的特點◎型材直接采購、加工周期短；◎順應性好，比鑄鐵環(huán)更能適應缸套的變形，降低機油消耗；◎在滿足強度前提下可實現(xiàn)薄型化（2mm），輕量化的要求；

◎刮油帶可做得很窄(0.2mm），可實現(xiàn)低彈力高面壓，降低了摩擦功耗。二、活塞環(huán)技術發(fā)展P452.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢2.2活塞環(huán)的十大要求2.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術2.4材料技術的發(fā)展2.5表面處理的發(fā)展2.6油環(huán)的發(fā)展活塞環(huán)技術發(fā)展2二、活塞環(huán)技術發(fā)展P46

2.5表面處理的發(fā)展活塞環(huán)的表面處理直接影響耐磨性能，尤其是帶EGR配置的發(fā)動機。同時活塞環(huán)表面處理技術的提升也是適應排放升級的重要途徑。二、活塞環(huán)技術發(fā)展P47

2.5.1第一道氣環(huán)的表面處理發(fā)展無處理鍍鉻噴鉬CKS(FTC)陶瓷鉬HVOF氮化PVDGDC端面閃鍍鉻和金剛石粒子鉻和陶瓷粒子超音速火焰噴涂物理氣相沉積CrN、DLC等二、活塞環(huán)技術發(fā)展P48各種涂層的耐磨性對比二、活塞環(huán)技術發(fā)展P49

2.5.2第二道氣環(huán)的表面處理發(fā)展由于第二道氣環(huán)的工作環(huán)境相對較好，加上材料技術的發(fā)展，因此大部分產(chǎn)品無需再進行表面處理，對部分有特殊要求的產(chǎn)品可進行鍍鉻或氮化處理。二、活塞環(huán)技術發(fā)展P50

2.5.3油環(huán)的表面處理發(fā)展無處理鍍鉻CKS38氮化PVD最外層為鉻二、活塞環(huán)技術發(fā)展P51普通鉻層FTC鍍層橫截面外圓面鉻與陶瓷復合鍍FTC鍍層簡介二、活塞環(huán)技術發(fā)展P52FTC鍍層微結構示意圖二、活塞環(huán)技術發(fā)展P53PVD涂層簡介二、活塞環(huán)技術發(fā)展P542.1活塞環(huán)總的發(fā)展趨勢2.2活塞環(huán)的十大要求2.3我公司現(xiàn)有活塞環(huán)關鍵技術2.4材料技術的發(fā)展2.5表面處理的發(fā)展2.6油環(huán)的發(fā)展活塞環(huán)技術發(fā)展2二、活塞環(huán)技術發(fā)展P55

2.6油環(huán)的發(fā)展整體油環(huán)螺旋撐簧油環(huán)鑄鐵油環(huán)I型鋼油環(huán)鋼帶組合油環(huán)刮油帶寬度窄形化、錐度油帶

(LKZ控油環(huán)最多可降低油耗50%，減少摩擦15%)

二、活塞環(huán)技術發(fā)展P56

2.6.1螺旋撐簧的發(fā)展螺旋撐簧碳素碳簧鋼絲耐熱鋼絲等節(jié)距變節(jié)距外圓不磨削外圓磨削直彈簧圈定型與環(huán)體的

磨損材料熱穩(wěn)定性及強度熱穩(wěn)定性及裝配方便性與環(huán)體的

磨損及彈力一致性二、活塞環(huán)技術發(fā)展P57為什么要用變節(jié)距彈簧——長時間使用過的產(chǎn)品，環(huán)體彈簧槽開口處會發(fā)生“竹節(jié)狀”磨損，因此采用變節(jié)距彈簧來解決這個問題（節(jié)距密，接觸面積大、壓強小、磨損小）。磨損狀態(tài)二、活塞環(huán)技術發(fā)展P58典型機型活塞環(huán)設計及臺架數(shù)據(jù)序號發(fā)動機名稱缸數(shù)缸徑環(huán)別

環(huán)高形式表面處理1索菲姆94.4494.4一氣(2.5)磷化、FTC二氣2.0磷化油環(huán)2.5磷化、鍍鉻2沃爾福492492一氣(2.0)磷化、FTC二氣2.0磷化油環(huán)2.0氮化3朝柴QD80499.2一氣(2.5)磷化、FTC二氣2.0磷化油環(huán)3.0氮化4富康478478一氣1.2FTC二氣1.5無油環(huán)2.5鍍鉻P59典型機型活塞環(huán)設計及臺架數(shù)據(jù)序號產(chǎn)品機油耗漏氣量臺架時間排放等級1索菲姆94.40.1g/kwh39L/min2000小時國IV2沃爾福4920.16g/kwh45L/min1000小時國IV3朝柴QD800.15%(機燃比）50L/min400小時國III4富康478(汽油機）12L/min1000小時國IVP60對發(fā)動機/活塞環(huán)的開發(fā)而言，一般都要經(jīng)過性能試驗、可靠性試驗、小批驗證、批量驗證等考核階段以驗證設計和制造狀態(tài)是否滿足要求?；诖?，在出現(xiàn)故障后應該綜合分析，找出問題的根源，而不只是簡單的頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳，這在行業(yè)里已形成廣泛的共識。常見的故障模式有：——過度磨損——拉缸——卡環(huán)——竄油(燒機油）失效模式分析3三、失效模式分析P613.1過度磨損a磨粒磨損是主因

——“三濾”（用途、使用區(qū)域）

——燃燒不良，積碳過多b潤滑油膜破裂

——拉缸，破壞了網(wǎng)紋和表面光潔的形貌

——冷卻（含局部冷卻）不良致高溫

——潤滑油品質(zhì)差（易忽視）c其它：磨合、維護。零件自身尺寸是否符合圖紙三、失效模式分析P62發(fā)動機潤滑油的作用體現(xiàn)在如下方面：a、潤滑——降低摩擦，減小磨損b、冷卻散熱——水帶走60%熱量，油40%c、防銹防腐蝕——隔絕水、氧及其它化學物質(zhì)d、清凈作用——循環(huán)帶走雜質(zhì)，然后被機濾濾掉e、密封燃氣——金屬表面凹凸不平，機油填充密封三、失效模式分析P63油環(huán)外圓磨損三、失效模式分析P64活塞環(huán)側面磨損側隙增大油環(huán)外圓磨損刮油刃磨平三、失效模式分析P653.2拉缸造成拉缸的根源是油膜中斷（干摩擦），應分清是環(huán)/缸套還是活塞/缸套之間的拉缸，二者的表現(xiàn)形式不同。

a活塞環(huán)與缸套之間的拉缸（早期）環(huán)行程范圍拉缸活塞正常環(huán)正常三、失效模式分析P66b活塞與缸套之間的拉缸突然變寬

三、失效模式分析P67缸壁發(fā)黃，此處內(nèi)孔拉缸頭部被剝落一塊，與此對應的缸套內(nèi)徑為D-0.16續(xù)前頁癥結：缸套嚴重變形，實測缸套失圓達0.30mm。三、失效模式分析P68c活塞環(huán)、活塞與缸套三者之間拉缸拉缸活塞，裙部大面積磨白未拉缸活塞，裙部軸向拉紋

三、失效模式分析P69拉缸缸套，從上往下看拉缸缸套，從下往上看，圓圈處被事先無意打磨到續(xù)前頁癥結：裝配誤操作——