任务五 活塞环的选配
教学目标
知识目标
1.能描述活塞环的功用，了解活塞环的工作条件。
2.能熟知活塞环的结构特点。
3.能认知各类型活塞环的构造。
技能目标
1.能合理使用量具测量活塞环。
2.能对活塞环的损伤进行分析。
3.能参照维修手册完成活塞环的选配。
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一、活塞环的功用和工作条件
活塞环是安装在活塞头部的、有开口的弹性金属环。它随活塞一起运动，外圆靠弹性紧贴气缸壁，用以实现气缸的密封。
1.活塞环类型
活塞环是具有弹性的开口环，分为气环和油环两种，如图1-5-1所示。活塞环是在高温、高压、高速和润滑困难的条件下工作的，它的运动情况很复杂，不仅与缸壁间有相对高速的滑动摩擦，还与环槽侧面的上下撞击，以及由于环的径向胀缩而产生的与环槽侧面相对的摩擦，因此，活塞环的磨损是发动机中磨损最快的零件之一，另外，高温热负荷不仅使环的耐磨性能下降，而且能使环的弹性下降。
图1-5-1 活塞环的分类与安装位置示意图
1.油环刮片（上）；2.油环；3.油环刮片（下）
（1）气环。气环也叫压缩环，用来密封活塞与气缸壁的间隙，防止气缸内的气体窜入油底壳，以及将活塞头部的热量传给气缸壁，再由冷却液或空气带走。另外，它还起到刮油、布油的辅助作用。一般发动机的每个活塞装有2～3道气环。
（2）油环。油环是用来刮走气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上涂一层均匀的机油膜，这样可以防止机油窜入燃烧室燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。此外，油环也起到密封的辅助作用。
近年来，随发动机转速的提高，活塞环的数目日趋减少，多为两道气环、一道油环。这样不仅减少了摩擦损失，还缩短了活塞高度，进而降低了发动机高度。
2.活塞环三隙
发动机工作时，活塞、活塞环等都会发生热膨胀。活塞环既要相对于气缸做上下运动，活塞又要相对于活塞环做相对横向移动，因此，活塞在安装时应留有端隙、侧隙、背隙三处间隙，既要防止胀死于槽内、卡死于缸内，又要保证其密封性能，如图1-5-2所示。
图1-5-2 活塞环三隙
1.活塞环工作状态；2.活塞环自由状态；3.工作面；4.内表面；5.活塞；6.活塞环；7.气缸壁；Δ1.开口间隙；Δ2.侧隙；Δ3.背隙；d-内径；B-宽度
（1）端隙。端隙Δ1又称为开口间隙，是活塞环装入气缸内磨损量最小处，开口处的间隙，多在0.25～0.50 mm之间，此数值随缸径增大而增大，柴油机略大于汽油机。如果活塞环开口间隙过大，则会使漏气量增加，如果环开口间隙过小，则环受热后膨胀可使活塞环的两端顶住，造成气缸壁擦伤或活塞环本身断裂。
（2）侧隙。侧隙Δ2又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道环因工作温度高，一般为0.04～0.10 mm；其他气环一般为0.03～0.07 mm。油环的侧隙较小，一般为0.025～0.07 mm。
（3）背隙。背隙Δ3是活塞及活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部间的间隙，一般为0.5～1 mm，油环的背隙较气环大，目的是增大存油间隙，以利于减压泄油。为了测量方便，维修中以环的厚度与环槽的深度差来表示背隙，此值比实际背隙要小。
3.活塞环的密封
气活塞环可能有三条漏气的通道：环面与气缸壁间；环与环槽的侧面间；开口端隙处。
（1）第一密封面
活塞环在自由状态下，其外圆直径略大于缸径，所以装入气缸后，环就产生一定的弹力与缸壁压紧，形成了第一密封面，如图1-5-3所示。
在此条件下，气体不能从环外圆与缸壁之间通过，便窜入侧隙和背隙。另外，活塞环在运动时产生惯性，并与缸壁间产生摩擦力。因此，活塞环与环槽侧面密封的压紧力是气体压力、惯性和摩擦力三个沿气缸轴线方向力的代数和。在做功和压缩行程时，气体压力一般起主导作用，使活塞环被压紧在环槽下侧面形成第二密封面。一般排气冲程时第二密封面也在环的下侧，而进气冲程时在环的上侧。
（2）第二次密封
窜入活塞环背隙的气体，将产生背压力，使环对缸壁进一步压紧，加强了第一和第二密封面的密封性，称为第二次密封。
做功行程时，环的背压力远远大于环的弹力，所以此时第一、第二密封面的密封性好坏，主要靠第二次密封。但是，如果环的弹力不够，在环面和缸壁间出现缝隙，此缝隙就要漏窜气体，这样就削弱或形不成第二次密封。因此，活塞环弹力产生的密封，是形成第二密封的前提。
二、活塞环的构造
1.气环
为了提高压强和密封，加速磨合，减小泵油和改善润滑，除合理选择材料及加工工艺外，在构造上出现了许多不同断面形状的气环，常见的有矩形环、锥形环、扭曲环、梯形环和桶形环，如图1-5-4所示。
（1）矩形环
如图1-5-5（a）所示，其结构简单，制造方便，且与缸壁接触面积大，有利于活塞头部的散热。缺点是易产生泵油现象。
当活塞带着活塞环下行（进气行程）时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下来的润滑油充入环槽下方；当活塞又带动活塞环上行（压缩行程）时，环又靠在环槽的下方，同时将油挤压到环槽的上方，如此反复运动，就将机油泵到了活塞顶，这种现象称作泵油现象。
活塞环泵油现象的危害：
① 润滑油消耗增加——转速提高，泵油作用加剧，增加了润滑油的消耗。
② 燃烧室内积碳增多——使火花塞因沾油面不能产生电火花。
③ 失去密封性——环槽内形成积碳，挤压活塞环而失去密封性。
④ 磨损加剧。
（2）锥形环
如图1-5-5（b）所示，其锥角一般为30°～60°，这种活塞环只能按图示方向安装（环上多有标记）。由于它与缸壁是线接触，单位压力大，有利于密封和磨合。随磨合里程的增加，接触也逐渐增大，最后便成为普通的矩形环了。另外，这种环在活塞下行时有刮油作用，上行时有布油作用，并可形成楔形油膜而改善润滑。锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上，由于锥角很小不易识别，为避免装错，在环端上侧面标有记号（向上或TOP等）。
（3）扭曲环
扭曲环是将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。为了减少开口处的漏气量，外圆下方切口的环，在离开口3～5 mm内仍保持原矩形断面。
技术提示
扭曲环的安装：内上切口扭曲环一般装入第一道环槽上，切口方向向上。这是由于第一道环背压大，磨合快，接触面积变大，散热性好。外切口扭曲环一般装在第二、三道环槽上，切口方向向下，这是由于它的背压小，第一密封面面积变化小，可增加单位压力，有利于密封。
（4）梯形环(https://www.daowen.com)
某些热负荷较大的柴油机，第一道环容易因结胶而在环槽内失去作用，因而采用了梯形环。这种环当活塞在侧压力作用下左、右换向时，环的侧隙Δ2和背隙Δ3将不断变化，使胶状油焦不断从环槽中被挤出。
（5）桶形环
近几年来出现的一种新结构环，其特点是活塞环的外圆面为凸圆弧形。桶形环的优点是当桶形环上下运动时，均能与气缸形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，从而使磨损大为减少；环面与缸壁是圆弧接触，接触面积小，有利于密封。
2.油环
目前汽车发动机采用的油环有整体式和组合式两种，如图1-5-6所示。
（1）整体式油环
为了增加刮油效果，在其外圆上切有环形槽，槽底开有若干回油用的小孔或窄槽。不少发动机将油环减薄，在其背后加装弹性衬簧。这样既保证了对缸壁的压力、又有较好的弹性，改善了对缸壁贴合的适应性。此外，整体式油环也显著减小了因环面磨损面使弹力下降的影响，从而延长了环的使用寿命。
（2）组合式油环
组合式油环由起刮油作用的两片钢片（也叫刮油片）和一个兼起径向、轴向弹力作用的衬簧组成。这种衬簧之所以能产生轴向弹力，是因为自由状态时衬簧和两个钢片的总厚度大于环槽的高度。径向弹力使钢片的第一密封面密封，轴向弹力使两钢片分别贴合在环槽上的上、下圈，产生第二密封面密封，并消除了间隙。组合式油环的钢片表面都是镀铬的，否则易产生黏附磨损。
技能实训一 活塞环的耗损
活塞环的主要耗损形式有活塞环的磨损、弹性减弱和折断等。活塞环在维修过程中作为易损件直接选配更换。
活塞环在工作时，由于受高温高压燃气的作用、往复运动的冲击和不良润滑条件影响，其磨损速度较快。活塞环的磨损导致环与气缸内壁贴合不足，开口间隙变大，从而漏气和窜油增加；活塞环的安装不当或开口间隙过小，高温下活塞环会抵死卡缸，在活塞的冲击负荷作用下而断裂。在维护时更换活塞环未将气缸壁上的缸肩刮去也会导致第一道活塞环撞断。
step 1 活塞环端隙的测量
（1）将活塞环置于待配的气缸内，用活塞将其推至气缸下部（下止点位置），并保证环平行于气缸体平面。
（2）取出活塞，用塞尺插入开口处进行测量。
技术标准：0.25～0.45 mm
如图1-5-7所示，此测得值与标准进行比较，如果间隙大，要重新选环；如果间隙小，可用细锉平锉环的端口，直至达到要求值。
技术提示
保养或小修换环时，由于气缸未进行镗削，气缸直径上部由于磨损直径变大，而下部相对较小。如果在气缸上部测量环的开口间隙，即使合适，也会导致环运行到气缸下部时间隙变小或无间隙，从而使活塞环折断，引起拉缸等机械损伤。所以此种情况，一定要测量气缸中下部的开口间隙。
step 2 活塞环侧隙的测量
（1）将活塞环放入环槽内，围绕环槽滚动一周，环应该能自由地滚动，既不松动又无阻滞现象。
（2）用塞尺测量其间隙，如图1-5-8所示。
技术要求：0.02～0.10 mm。
测得的数值与标准值进行比较，如果小于标准数值，应将活塞环平放到平面上，下边垫细砂纸进行研磨，直至符合要求。
step 3 活塞环背隙的测量
（1）用游标卡尺测量活塞环槽深，如图1-5-9所示。
（2）用游标卡尺测量活塞环径向宽度。
（3）计算二者的差值。
技术标准：0～0.35 mm。
也可将环反向放入环槽的底部，再用游标卡尺测出环内圆柱面与环岸的数值。如果背隙过小，要检查活塞环槽是否有金属屑或毛刺，如有则需进行去除处理，否则应更换活塞环。更换活塞环时，应选用与气缸和活塞同一修理尺寸级别的活塞环，发动机气缸磨损不大时，在维护中可选配与气缸同级别的新活塞环进行换环维护，但不允许选用加大的活塞环。不允许选择较大一级的活塞环采取锉削端口的方式代替低一级的活塞环。发动机活塞环的更换，应按原厂的规定进行。
技能实训二 活塞环的选配
step 1 活塞环的弹力检验
活塞环的弹力是指活塞环的开口间隙达到规定值时，作用到活塞环上的径向力。活塞环的弹力是建立背压的首要条件，是保证气缸密封性的必要条件。弹力过大会使环磨损加剧，弹力过小，气缸的密封性下降。
（1）活塞环的弹力检验可以在检验仪上进行，如图1-5-10所示。用手按压活塞环，使其端口并拢。
图1-5-10 活塞环的弹力检验
（2）放开，根据并拢时的用力和放开恢复状态来判别。
step 2 活塞环的漏光度检验
活塞环漏光度检验是检测环的外圆表面与气缸内壁的接触和密封程度，目的是避免漏光度过大使活塞环与气缸的接触面积减小，造成漏气和窜油的隐患。
（1）活塞环漏光度检查的简易方法是将被检验的活塞环放入相应的气缸内。
（2）用活塞将活塞环向下推平，保证活塞环平放在气缸内。
（3）在活塞环的下边放一个灯泡，环的上部放一块盖板盖住环的内圈，让灯泡发光。
（4）从上部观察环的外圆与气缸内壁之间的漏光缝隙，如图1-5-11所示。
活塞环漏光度技术要求：在活塞环端口左右30°范围内不应有漏光点；在同一活塞环上漏光点不得超过两处，每处漏光弧长所对应的圆心角不得超过25°，同一环上漏光弧长所对应的圆心角之和不得超过45°；漏光处的缝隙应不大于0.03 mm，当漏光缝隙小于0.015 mm时，漏光弧长所对应的圆心角之和放宽至120°。
学后测试
1.简述活塞环的功用，了解活塞环的工作条件。
2.简述活塞环的结构特点。
3.简述各类型活塞环的构造。
4.使用量具测量活塞环。
5.对活塞环的损伤进行分析。
6.参照维修手册完成活塞环的选配。