黃 祥孫 軍付楊楊賈 衛(wèi)

（1-合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 安徽 合肥 230009 2-合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院）

引言

內(nèi)燃機作為一種重要的動力裝置，廣泛應(yīng)用在汽車、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、船舶和內(nèi)燃機機車等領(lǐng)域?；钊h(huán)是內(nèi)燃機的重要零件之一，其工作狀況對內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性、排放性能、可靠性和使用壽命等有著直接的影響?；钊h(huán)安裝在活塞頭部的活塞環(huán)槽中，其作用主要包括保持氣密性（密封）、控制潤滑油（控油）和傳熱（導(dǎo)熱）等[1]。隨著內(nèi)燃機性能的不斷提高，對活塞環(huán)設(shè)計的要求越來越高。正確的設(shè)計是活塞環(huán)高效率、高性能和工作壽命長的基本保證。隨著計算機及其相關(guān)技術(shù)的進步，內(nèi)燃機活塞環(huán)設(shè)計技術(shù)在逐步完善，對內(nèi)燃機活塞環(huán)設(shè)計技術(shù)的研究也在不斷深入。

1 活塞環(huán)設(shè)計分析

1.1 活塞環(huán)的基本設(shè)計

為了使內(nèi)燃機的性能達到最佳，對活塞環(huán)質(zhì)量的要求越來越高。因此，設(shè)計活塞環(huán)時，必須對活塞環(huán)的斷面形狀進行合理的設(shè)計，對活塞環(huán)的尺寸參數(shù)、材料和表面處理方式等進行恰當(dāng)?shù)倪x擇[2]。

1.1.1 活塞環(huán)的基本尺寸和運動

圖1為活塞環(huán)示意圖，圖2為活塞環(huán)正面投影圖。從圖1和圖2可以看出，活塞環(huán)的基本尺寸主要包括公稱直徑D、開口間隙C、徑向厚度T和軸向高度B等[3]。在活塞環(huán)設(shè)計中，基本尺寸一般根據(jù)內(nèi)燃機類型和運轉(zhuǎn)條件來確定。需滿足活塞環(huán)初始彈力要求，并保證活塞環(huán)具有足夠的高溫機械強度和耐磨性。

圖1 活塞環(huán)示意圖

圖2 活塞環(huán)正面投影

在內(nèi)燃機的工作過程中，活塞環(huán)受到氣體壓力、慣性力、自身彈力、摩擦力和潤滑油膜壓力等綜合作用，其基本運動主要包括軸向運動、徑向運動和回轉(zhuǎn)運動等[4]。

1.1.2 活塞環(huán)的基本形狀

活塞環(huán)的斷面形狀是活塞環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，其主要的設(shè)計要求是：增強密封性能，改善磨合性能，提高刮油能力和提高抗傷性等[5]。不同斷面形狀活塞環(huán)的工作性能不同，一般根據(jù)活塞環(huán)的工作條件、位置和配組的具體要求選擇?；谠缙诰匦螖嗝姝h(huán)的改進，目前應(yīng)用的氣環(huán)主要有微錐面環(huán)、扭曲環(huán)、錐面環(huán)、鼻形環(huán)、桶面環(huán)、梯形環(huán)和開溝環(huán)等；油環(huán)主要有普通槽孔式油環(huán)、彈簧脹圈油環(huán)和鋼帶組合油環(huán)等。

1.1.3 活塞環(huán)材料及表面處理方法

活塞環(huán)的材料主要根據(jù)使用條件和性能要求等確定，滿足的主要要求為：高溫工作條件下具有較高的機械強度、摩擦系數(shù)小且耐磨、不容易產(chǎn)生粘著以及加工便利等。常用的活塞環(huán)材料有：灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、粉末冶金的金屬陶瓷、鋼以及復(fù)合材料等。

活塞環(huán)的表面處理方法一般分為2類[6]：

1）提高耐腐蝕性和耐磨性的鍍層。如鍍錫、磷化處理和氧化處理等。

2）提高活塞環(huán)使用壽命的鍍層。如鍍鉻和噴鉬等。

1.1.4 活塞環(huán)設(shè)計的基本計算

活塞環(huán)的設(shè)計計算涉及幾何尺寸、彈力和工作應(yīng)力之間關(guān)系的處理，一般首先選定平均彈力p0和環(huán)高B，然后調(diào)整開口間隙C和厚度T，最后保證活塞環(huán)的最大工作應(yīng)力σmax在材料的許用值之內(nèi)。

1）平均彈力p0

式中：E為材料彈性模量。

2）最大工作應(yīng)力σmax

1.2 現(xiàn)代活塞環(huán)設(shè)計技術(shù)

隨著內(nèi)燃機性能和實際要求的不斷提高，在保證活塞環(huán)基本功能的情況下，不斷提高活塞環(huán)的綜合性能。根據(jù)不同工作環(huán)境和要求，研發(fā)專門的活塞環(huán)設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代活塞環(huán)設(shè)計的發(fā)展方向。內(nèi)燃機機械損失的45%~60%由活塞（環(huán)）-氣缸摩擦副的摩擦損失產(chǎn)生，其中大部分由活塞環(huán)引起。為此，國內(nèi)外學(xué)者對活塞環(huán)的設(shè)計開展了相關(guān)研究，以降低活塞環(huán)摩擦功耗，改善內(nèi)燃機性能。

1.2.1 優(yōu)化設(shè)計

Hill等人[7]通過對活塞環(huán)摩擦功影響因素的理論研究，提出了一種新的活塞環(huán)優(yōu)化設(shè)計方案，降低活塞環(huán)的彈力和軸向高度，并且改變活塞環(huán)的鍍層，設(shè)計出了一套低摩擦活塞環(huán)組。試驗驗證表明，可減少活塞環(huán)的摩擦功，提高內(nèi)燃機的燃油經(jīng)濟性。

1.2.2 影響因素

Smith[8]分析和研究了活塞環(huán)形面、彈力和潤滑油黏度等10個影響因素。結(jié)果顯示，降低潤滑油黏度、降低活塞環(huán)彈力以及調(diào)整活塞環(huán)桶面偏移率，可降低活塞環(huán)摩擦功率損失，提高內(nèi)燃機燃油經(jīng)濟性。

1.2.3 表面處理

Dueck[9]采用特殊研磨技術(shù)提高活塞環(huán)性能，使用涂層技術(shù)給活塞環(huán)鍍鉻，將加厚的活塞環(huán)鍍鉻層與氣缸套接觸，優(yōu)化了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副，延長了活塞環(huán)的使用壽命。

潘國順等人[10]為提高活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能和使用壽命，采用PVD離子鍍處理技術(shù)在活塞環(huán)表面鍍CrN膜，通過磨損試驗分析CrN鍍膜的摩擦學(xué)特性，用掃描電子顯微鏡分析摩擦副的磨損表面形貌和機理。研究結(jié)果表明，CrN鍍膜可提高活塞環(huán)的耐磨性和使用壽命。

Skopp等人[11]在大氣和真空條件下，使用等離子噴涂技術(shù)分別噴涂了TiOx陶瓷涂層，并在混合潤滑狀態(tài)與干摩擦狀態(tài)下測試了TiOx陶瓷涂層的摩擦學(xué)性能。試驗結(jié)果表明，TiOx陶瓷涂層的摩擦系數(shù)遠遠低于活塞環(huán)與氣缸。

1.2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)

Wu等人[12]針對第一道氣環(huán)，通過建立混合潤滑模型，研究了活塞環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)對活塞環(huán)-氣缸套摩擦功率損失和活塞環(huán)-氣缸套間最小油膜厚度的影響。結(jié)果表明，減小活塞環(huán)軸向高度和桶面高度，可降低摩擦功率損失。

1.2.5 新結(jié)構(gòu)

單紹平等人[13]提出了一種組合式活塞環(huán)（如圖3所示），用于第二道活塞環(huán)。由2個環(huán)組成，上環(huán)為桶面環(huán)，下環(huán)為錐面環(huán)。該組合式活塞環(huán)兼顧了桶面環(huán)和錐面環(huán)的優(yōu)點，在上環(huán)和下環(huán)之間可形成儲存少量機油的儲油腔，具有密封性能好，機油消耗量低，使用壽命長和排放低等突出特點。

圖3 第一種組合式活塞環(huán)

張勇等人[14]提出了另一種上下2個環(huán)的組合式活塞環(huán)（如圖4所示），下環(huán)凸臺封閉開口間隙處的氣體泄漏通道，可提高活塞環(huán)的氣密性。通過對建立的氣密分析理論和摩擦功模型進行分析得知，與2氣環(huán)活塞環(huán)組相比，該組合式活塞環(huán)的氣密性提高了18%，摩擦功耗降低了38%。

圖4 第二種組合式活塞環(huán)

王剛等人[15]設(shè)計了一種疊加封口式活塞環(huán)（如圖5所示），它由上下2片楔形的單片環(huán)組合成一組氣環(huán)，安裝后上環(huán)為正扭曲，下環(huán)為反扭曲。試驗結(jié)果表明，該活塞環(huán)可降低燃油消耗量和提高活塞環(huán)使用壽命。

圖5 疊加封口式活塞環(huán)

1.3 活塞環(huán)的潤滑研究

活塞環(huán)-氣缸套是內(nèi)燃機最重要的摩擦副之一，內(nèi)燃機工作過程中，活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的相對運動速度很高且瞬間變化，承受高溫高壓高腐蝕性燃氣的沖擊。為了減少活塞環(huán)的摩擦和磨損，需使用潤滑油對活塞環(huán)進行有效潤滑。因此，活塞環(huán)的潤滑分析是活塞環(huán)設(shè)計的重要部分。

1936年，Castleman[16]假設(shè)潤滑油不可壓縮，考慮活塞環(huán)環(huán)面磨損趨勢，應(yīng)用Reynolds方程分析了活塞環(huán)-氣缸套的潤滑性能。

1957年，Eilon等人[17]分析了拋物線型活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑屬性，測試了潤滑油黏度、活塞速度和燃氣壓力等對活塞環(huán)-氣缸套間油膜厚度的影響。

1959年，F(xiàn)uruhama等人[18-19]首次分析了考慮擠壓效應(yīng)的活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑性能，得到了完整的內(nèi)燃機工作循環(huán)方程的解，指出活塞環(huán)-氣缸套間的混合潤滑區(qū)域?qū)δΣ亮τ休^大影響。

1968年，Lloyd[20]將活塞環(huán)-氣缸套摩擦副視為流體動壓軸承，創(chuàng)建了一種新的適用于計算機分析的方法，使用對稱環(huán)面、等黏度潤滑劑、恒定負(fù)荷、零上下邊界壓力和正弦活塞運動模型等，證明了存在使活塞環(huán)-氣缸套摩擦副最小油膜厚度最大化的活塞環(huán)拋物線形狀。

1974年，Ting等人[21-22]基于建立的完整內(nèi)燃機工作循環(huán)模型，對活塞環(huán)-氣缸套的潤滑性能進行了首次較為全面、真實的分析。

1978年，Patir等人[23-24]提出了考慮三維表面粗糙度影響的活塞環(huán)-氣缸套摩擦副潤滑的平均Reynolds方程。

1983年，Dowson等人[25]驗證了彈性變形對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副流體動力潤滑性能的影響，表明活塞環(huán)和氣缸套的彈性變形使活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的最小油膜厚度增大。

1989年，Miltsions等人[26]使用有限元法求解活塞環(huán)-氣缸套摩擦副潤滑控制方程，分析各活塞環(huán)的摩擦力。結(jié)果表明，第一道氣環(huán)處于流體動力潤滑狀態(tài)，油膜厚度最大；油環(huán)一部分處于流體動力潤滑狀態(tài)，一部分處于混合潤滑狀態(tài)，油膜厚度最??；第二道氣環(huán)的潤滑狀態(tài)和油膜厚度介于第一道氣環(huán)和油環(huán)之間。

1991年，Sun[27]分析了活塞環(huán)與氣缸套的不均勻熱彈性接觸，考慮氣缸套形狀、活塞環(huán)形狀、活塞環(huán)熱變形和氣體壓力等影響因素。結(jié)果表明，氣缸套變形和活塞環(huán)熱變形使活塞環(huán)-氣缸套間的接觸壓力增加，摩擦功耗增大。

1992年，Wu等人[28]使用多重網(wǎng)格法對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副進行了彈性流體動力潤滑研究，通過對比優(yōu)化，確定了更高效、更精確的多重網(wǎng)格方法（FAS-FMG）。

1993年，Richez等人[29]進行了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副潤滑的理論分析和試驗。結(jié)果表明，低速和低潤滑油黏度情況下，混合潤滑狀態(tài)對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的摩擦力有較大影響。

1995年，Ma等人[30-31]基于氣缸套沿圓周方向的非軸對稱性，對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑性能進行了分析。結(jié)果表明，氣缸套變形對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑性能影響很大。

國內(nèi)學(xué)者對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副也進行了許多研究。

1993年，桂長林等人[32]綜合考慮表面粗糙度、貧油與富油等條件，研究了活塞環(huán)組-氣缸套摩擦副的潤滑狀態(tài)。結(jié)果表明，采用適當(dāng)?shù)恼亩惹?，可增加活塞環(huán)在上止點區(qū)域的油膜厚度。

1995年，劉焜等人[33]基于二維Reynolds方程，考慮表面粗糙度、微凸體接觸和活塞環(huán)安裝變形等影響因素，分析了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑特性。結(jié)果表明，活塞環(huán)-氣缸套間的油膜厚度沿圓周方向不均勻，活塞環(huán)的摩擦力和潤滑特性沿圓周方向變化。

1997年，張移山等人[34-35]進行了活塞環(huán)-缸套摩擦副磨合過程的混合潤滑研究，分析了內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、氣缸套和活塞環(huán)表面粗糙度、潤滑油黏度等因素的影響。

2001年，張勇等人[36]基于二維平均Reynolds方程和油膜厚度方程等，進行了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的二維潤滑分析。結(jié)果表明，活塞環(huán)在圓周方向的壓力分布不均勻，存在活塞環(huán)側(cè)向力。

2001年，孟凡明等人[37]建立了潤滑油中含有顆粒的混合潤滑Reynolds方程，利用運動網(wǎng)格技術(shù)分析顆粒直徑、位置和速度對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副潤滑性能的影響。結(jié)果表明，顆粒使油膜壓力峰值增大，加劇活塞環(huán)磨損，引起疲勞失效。

2005年，葉曉明等人[38]基于平均Reynolds方程和粗糙表面微凸體接觸模型等，考慮表面粗糙度、潤滑油黏度、氣缸套形狀和油膜氣穴效應(yīng)等因素的影響，建立了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副三維彈性流體壓力潤滑模型。分析結(jié)果表明，氣缸套圓周方向上的非對稱性對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑性能影響很大。

2005年，白敏麗等人[39]建立了活塞環(huán)組的非穩(wěn)態(tài)熱混合潤滑模型，分析了活塞環(huán)組的潤滑和摩擦特性。

2008年，周龍等人[40]基于三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型、潤滑油膜傳熱模型和流體壓力潤滑模型，考慮表面粗糙度、潤滑油黏度和溫度變化以及油膜破裂位置等影響因素，建立了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的三維非穩(wěn)態(tài)熱混合潤滑摩擦模型，得到了潤滑油膜的黏度、溫度和最小油膜厚度等。

2013年，張俊紅等人[41]以第一道氣環(huán)為研究對象，基于空穴效應(yīng)的質(zhì)量守恒原理，建立了活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的統(tǒng)一潤滑控制方程。分析表明，潤滑油膜的壓力分布取決于活塞環(huán)速度和邊界氣體壓力，空穴效應(yīng)影響潤滑油分布和最小油膜厚度。

2015年，孫軍等人[42]建立了活塞環(huán)-氣缸套間潤滑油的流動模型，分析了進口處不同潤滑油供給量對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副潤滑特性的影響。結(jié)果表明，增加進口處潤滑油供給量，可以顯著提高活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的潤滑性能。

2017年，苗嘉智等人[43]將微凹坑表面織構(gòu)鑲嵌于氣缸套切片的內(nèi)表面中，使用往復(fù)式摩擦磨損試驗機研究其處于不同工況下的摩擦學(xué)性能和對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副摩擦性能的影響。結(jié)果表明，微凹坑表面織構(gòu)能顯著提高活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的摩擦性能。

2 活塞環(huán)設(shè)計軟件系統(tǒng)

在活塞環(huán)設(shè)計過程中，一般需要根據(jù)內(nèi)燃機用途等多方面的要求，經(jīng)過反復(fù)計算和驗證，確定活塞環(huán)的設(shè)計參數(shù)。所以，活塞環(huán)的設(shè)計過程非常復(fù)雜繁瑣。隨著計算機和軟件技術(shù)的進步，可以基于不同軟件平臺，利用編制的計算機軟件進行活塞環(huán)設(shè)計、分析、優(yōu)化和檢測。

為了提高活塞環(huán)設(shè)計效率和規(guī)范活塞環(huán)工藝設(shè)計的基本流程，黃代鳳[44]基于Visual Basic語言開發(fā)了活塞環(huán)工藝路線設(shè)計軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)基于刀具庫、滾輪庫、工藝模板庫和產(chǎn)品代碼庫等數(shù)據(jù)庫，依照工藝軟件流程設(shè)計不同的操作界面。尺寸參數(shù)既可在各界面之間按照設(shè)計工藝流程進行傳遞，也可在菜單界面進行設(shè)計輸入，還可實現(xiàn)相關(guān)工藝個性化修改。通過編制不同的工藝模板，該軟件系統(tǒng)可適用于不同產(chǎn)品。

為了減少活塞環(huán)鑄造環(huán)模設(shè)計過程中的工作量，避免傳統(tǒng)方式中產(chǎn)生的人為誤差，秦在高等人[45]基于VisualBasic語言，編制了模塊化計算機程序。

為了保證活塞環(huán)的加工質(zhì)量，王瑞等人[46]基于VisualC++6.0語言，開發(fā)了活塞環(huán)型線在線檢測系統(tǒng)，可對活塞環(huán)外圓輪廓進行在線檢測、誤差分析、圖形顯示和誤差修正補償?shù)龋瑢崿F(xiàn)活塞環(huán)加工測量一體化。

3 分析與展望

隨著活塞環(huán)潤滑分析等方面的研究不斷深入，活塞環(huán)設(shè)計技術(shù)日趨成熟。計算機等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使活塞環(huán)設(shè)計越來越智能化和自動化。由于活塞環(huán)設(shè)計過程的復(fù)雜性和多樣性，活塞環(huán)設(shè)計技術(shù)仍存在需要進一步研究的方面。

1）活塞環(huán)設(shè)計理論有待進一步完善?；钊h(huán)設(shè)計過程非常復(fù)雜，到目前為止，沒有一套詳細和完整的活塞環(huán)設(shè)計理論?；钊h(huán)的實際工作情況非常復(fù)雜，包括軸向運動、徑向運動和回轉(zhuǎn)運動等。現(xiàn)有的設(shè)計理論在建立活塞環(huán)運動模型方面比較理想化，建立的模型忽略了活塞環(huán)的扭曲振動等影響因素，在一定程度上與實際不相符，不能反映活塞環(huán)在環(huán)槽中的實際運動情況和運動規(guī)律。

2）深入研究各類活塞環(huán)的具體設(shè)計過程。應(yīng)用于內(nèi)燃機的活塞環(huán)種類存在多樣性，不同活塞環(huán)的具體設(shè)計過程不同。需進一步研究各類活塞環(huán)的設(shè)計過程，針對不同種類的活塞環(huán)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化活塞環(huán)設(shè)計。

3）進一步開發(fā)人工交互等功能更加完整的活塞環(huán)設(shè)計軟件。基于軟件平臺的活塞環(huán)設(shè)計系統(tǒng)，可以將活塞環(huán)設(shè)計理論運用于實際設(shè)計?，F(xiàn)有的活塞環(huán)設(shè)計軟件可以完成從參數(shù)輸入到活塞環(huán)設(shè)計計算，再到活塞環(huán)輪廓模型建立的過程。但是，目前還沒有功能完整、人機交互良好的從參數(shù)輸入、活塞環(huán)計算到結(jié)果輸出的設(shè)計系統(tǒng)。在今后的活塞環(huán)設(shè)計軟件開發(fā)中，可考慮采用Visual Basic、Java等匯編語言。

4）進一步研究性能優(yōu)異的新結(jié)構(gòu)活塞環(huán)，滿足內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展對各類活塞環(huán)潤滑、摩擦功耗和使用壽命等性能的要求。

5）現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在活塞環(huán)設(shè)計中的應(yīng)用。目前，一般采用經(jīng)典力學(xué)方法計算活塞環(huán)安裝應(yīng)力、工作應(yīng)力和疲勞強度，在分析的全面性和準(zhǔn)確性等方面存在一定問題，且無法對活塞環(huán)溫度分布、抗拉缸和活塞環(huán)組件性能等進行分析。隨著現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，可應(yīng)用有限元分析等方法對活塞環(huán)進行更加接近實際的分析計算，滿足實際活塞環(huán)的設(shè)計要求。

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