活塞环设计的研究现状与展望*

黄 祥孙 军付杨杨贾 卫

（1-合肥工业大学汽车与交通工程学院 安徽 合肥 230009 2-合肥工业大学智能制造技术研究院）

引言

内燃机作为一种重要的动力装置，广泛应用在汽车、工程机械、农业机械、船舶和内燃机机车等领域。活塞环是内燃机的重要零件之一，其工作状况对内燃机的动力性、经济性、排放性能、可靠性和使用寿命等有着直接的影响。活塞环安装在活塞头部的活塞环槽中，其作用主要包括保持气密性（密封）、控制润滑油（控油）和传热（导热）等[1]。随着内燃机性能的不断提高，对活塞环设计的要求越来越高。正确的设计是活塞环高效率、高性能和工作寿命长的基本保证。随着计算机及其相关技术的进步，内燃机活塞环设计技术在逐步完善，对内燃机活塞环设计技术的研究也在不断深入。

1 活塞环设计分析

1.1 活塞环的基本设计

为了使内燃机的性能达到最佳，对活塞环质量的要求越来越高。因此，设计活塞环时，必须对活塞环的断面形状进行合理的设计，对活塞环的尺寸参数、材料和表面处理方式等进行恰当的选择[2]。

1.1.1 活塞环的基本尺寸和运动

图1为活塞环示意图，图2为活塞环正面投影图。从图1和图2可以看出，活塞环的基本尺寸主要包括公称直径D、开口间隙C、径向厚度T和轴向高度B等[3]。在活塞环设计中，基本尺寸一般根据内燃机类型和运转条件来确定。需满足活塞环初始弹力要求，并保证活塞环具有足够的高温机械强度和耐磨性。

图1 活塞环示意图

图2 活塞环正面投影

在内燃机的工作过程中，活塞环受到气体压力、惯性力、自身弹力、摩擦力和润滑油膜压力等综合作用，其基本运动主要包括轴向运动、径向运动和回转运动等[4]。

1.1.2 活塞环的基本形状

活塞环的断面形状是活塞环结构设计的重要内容之一，其主要的设计要求是：增强密封性能，改善磨合性能，提高刮油能力和提高抗伤性等[5]。不同断面形状活塞环的工作性能不同，一般根据活塞环的工作条件、位置和配组的具体要求选择。基于早期矩形断面环的改进，目前应用的气环主要有微锥面环、扭曲环、锥面环、鼻形环、桶面环、梯形环和开沟环等；油环主要有普通槽孔式油环、弹簧胀圈油环和钢带组合油环等。

1.1.3 活塞环材料及表面处理方法

活塞环的材料主要根据使用条件和性能要求等确定，满足的主要要求为：高温工作条件下具有较高的机械强度、摩擦系数小且耐磨、不容易产生粘着以及加工便利等。常用的活塞环材料有：灰口铸铁、球墨铸铁、粉末冶金的金属陶瓷、钢以及复合材料等。

活塞环的表面处理方法一般分为2类[6]：

1）提高耐腐蚀性和耐磨性的镀层。如镀锡、磷化处理和氧化处理等。

2）提高活塞环使用寿命的镀层。如镀铬和喷钼等。

1.1.4 活塞环设计的基本计算

活塞环的设计计算涉及几何尺寸、弹力和工作应力之间关系的处理，一般首先选定平均弹力p0和环高B，然后调整开口间隙C和厚度T，最后保证活塞环的最大工作应力σmax在材料的许用值之内。

1）平均弹力p0

式中：E为材料弹性模量。

2）最大工作应力σmax

1.2 现代活塞环设计技术

随着内燃机性能和实际要求的不断提高，在保证活塞环基本功能的情况下，不断提高活塞环的综合性能。根据不同工作环境和要求，研发专门的活塞环设计技术是现代活塞环设计的发展方向。内燃机机械损失的45%~60%由活塞（环）-气缸摩擦副的摩擦损失产生，其中大部分由活塞环引起。为此，国内外学者对活塞环的设计开展了相关研究，以降低活塞环摩擦功耗，改善内燃机性能。

1.2.1 优化设计

Hill等人[7]通过对活塞环摩擦功影响因素的理论研究，提出了一种新的活塞环优化设计方案，降低活塞环的弹力和轴向高度，并且改变活塞环的镀层，设计出了一套低摩擦活塞环组。试验验证表明，可减少活塞环的摩擦功，提高内燃机的燃油经济性。

1.2.2 影响因素

Smith[8]分析和研究了活塞环形面、弹力和润滑油黏度等10个影响因素。结果显示，降低润滑油黏度、降低活塞环弹力以及调整活塞环桶面偏移率，可降低活塞环摩擦功率损失，提高内燃机燃油经济性。

1.2.3 表面处理

Dueck[9]采用特殊研磨技术提高活塞环性能，使用涂层技术给活塞环镀铬，将加厚的活塞环镀铬层与气缸套接触，优化了活塞环-气缸套摩擦副，延长了活塞环的使用寿命。

潘国顺等人[10]为提高活塞环的摩擦学性能和使用寿命，采用PVD离子镀处理技术在活塞环表面镀CrN膜，通过磨损试验分析CrN镀膜的摩擦学特性，用扫描电子显微镜分析摩擦副的磨损表面形貌和机理。研究结果表明，CrN镀膜可提高活塞环的耐磨性和使用寿命。

Skopp等人[11]在大气和真空条件下，使用等离子喷涂技术分别喷涂了TiOx陶瓷涂层，并在混合润滑状态与干摩擦状态下测试了TiOx陶瓷涂层的摩擦学性能。试验结果表明，TiOx陶瓷涂层的摩擦系数远远低于活塞环与气缸。

1.2.4 结构参数

Wu等人[12]针对第一道气环，通过建立混合润滑模型，研究了活塞环结构参数对活塞环-气缸套摩擦功率损失和活塞环-气缸套间最小油膜厚度的影响。结果表明，减小活塞环轴向高度和桶面高度，可降低摩擦功率损失。

1.2.5 新结构

单绍平等人[13]提出了一种组合式活塞环（如图3所示），用于第二道活塞环。由2个环组成，上环为桶面环，下环为锥面环。该组合式活塞环兼顾了桶面环和锥面环的优点，在上环和下环之间可形成储存少量机油的储油腔，具有密封性能好，机油消耗量低，使用寿命长和排放低等突出特点。

图3 第一种组合式活塞环

张勇等人[14]提出了另一种上下2个环的组合式活塞环（如图4所示），下环凸台封闭开口间隙处的气体泄漏通道，可提高活塞环的气密性。通过对建立的气密分析理论和摩擦功模型进行分析得知，与2气环活塞环组相比，该组合式活塞环的气密性提高了18%，摩擦功耗降低了38%。

图4 第二种组合式活塞环

王刚等人[15]设计了一种叠加封口式活塞环（如图5所示），它由上下2片楔形的单片环组合成一组气环，安装后上环为正扭曲，下环为反扭曲。试验结果表明，该活塞环可降低燃油消耗量和提高活塞环使用寿命。

图5 叠加封口式活塞环

1.3 活塞环的润滑研究

活塞环-气缸套是内燃机最重要的摩擦副之一，内燃机工作过程中，活塞环-气缸套摩擦副的相对运动速度很高且瞬间变化，承受高温高压高腐蚀性燃气的冲击。为了减少活塞环的摩擦和磨损，需使用润滑油对活塞环进行有效润滑。因此，活塞环的润滑分析是活塞环设计的重要部分。

1936年，Castleman[16]假设润滑油不可压缩，考虑活塞环环面磨损趋势，应用Reynolds方程分析了活塞环-气缸套的润滑性能。

1957年，Eilon等人[17]分析了抛物线型活塞环-气缸套摩擦副的润滑属性，测试了润滑油黏度、活塞速度和燃气压力等对活塞环-气缸套间油膜厚度的影响。

1959年，Furuhama等人[18-19]首次分析了考虑挤压效应的活塞环-气缸套摩擦副的润滑性能，得到了完整的内燃机工作循环方程的解，指出活塞环-气缸套间的混合润滑区域对摩擦力有较大影响。

1968年，Lloyd[20]将活塞环-气缸套摩擦副视为流体动压轴承，创建了一种新的适用于计算机分析的方法，使用对称环面、等黏度润滑剂、恒定负荷、零上下边界压力和正弦活塞运动模型等，证明了存在使活塞环-气缸套摩擦副最小油膜厚度最大化的活塞环抛物线形状。

1974年，Ting等人[21-22]基于建立的完整内燃机工作循环模型，对活塞环-气缸套的润滑性能进行了首次较为全面、真实的分析。

1978年，Patir等人[23-24]提出了考虑三维表面粗糙度影响的活塞环-气缸套摩擦副润滑的平均Reynolds方程。

1983年，Dowson等人[25]验证了弹性变形对活塞环-气缸套摩擦副流体动力润滑性能的影响，表明活塞环和气缸套的弹性变形使活塞环-气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环-气缸套摩擦副润滑控制方程，分析各活塞环的摩擦力。结果表明，第一道气环处于流体动力润滑状态，油膜厚度最大；油环一部分处于流体动力润滑状态，一部分处于混合润滑状态，油膜厚度最小；第二道气环的润滑状态和油膜厚度介于第一道气环和油环之间。

1991年，Sun[27]分析了活塞环与气缸套的不均匀热弹性接触，考虑气缸套形状、活塞环形状、活塞环热变形和气体压力等影响因素。结果表明，气缸套变形和活塞环热变形使活塞环-气缸套间的接触压力增加，摩擦功耗增大。

1992年，Wu等人[28]使用多重网格法对活塞环-气缸套摩擦副进行了弹性流体动力润滑研究，通过对比优化，确定了更高效、更精确的多重网格方法（FAS-FMG）。

1993年，Richez等人[29]进行了活塞环-气缸套摩擦副润滑的理论分析和试验。结果表明，低速和低润滑油黏度情况下，混合润滑状态对活塞环-气缸套摩擦副的摩擦力有较大影响。

1995年，Ma等人[30-31]基于气缸套沿圆周方向的非轴对称性，对活塞环-气缸套摩擦副的润滑性能进行了分析。结果表明，气缸套变形对活塞环-气缸套摩擦副的润滑性能影响很大。

国内学者对活塞环-气缸套摩擦副也进行了许多研究。

1993年，桂长林等人[32]综合考虑表面粗糙度、贫油与富油等条件，研究了活塞环组-气缸套摩擦副的润滑状态。结果表明，采用适当的正偏心度曲面，可增加活塞环在上止点区域的油膜厚度。

1995年，刘焜等人[33]基于二维Reynolds方程，考虑表面粗糙度、微凸体接触和活塞环安装变形等影响因素，分析了活塞环-气缸套摩擦副的润滑特性。结果表明，活塞环-气缸套间的油膜厚度沿圆周方向不均匀，活塞环的摩擦力和润滑特性沿圆周方向变化。

1997年，张移山等人[34-35]进行了活塞环-缸套摩擦副磨合过程的混合润滑研究，分析了内燃机转速、负荷、气缸套和活塞环表面粗糙度、润滑油黏度等因素的影响。

2001年，张勇等人[36]基于二维平均Reynolds方程和油膜厚度方程等，进行了活塞环-气缸套摩擦副的二维润滑分析。结果表明，活塞环在圆周方向的压力分布不均匀，存在活塞环侧向力。

2001年，孟凡明等人[37]建立了润滑油中含有颗粒的混合润滑Reynolds方程，利用运动网格技术分析颗粒直径、位置和速度对活塞环-气缸套摩擦副润滑性能的影响。结果表明，颗粒使油膜压力峰值增大，加剧活塞环磨损，引起疲劳失效。

2005年，叶晓明等人[38]基于平均Reynolds方程和粗糙表面微凸体接触模型等，考虑表面粗糙度、润滑油黏度、气缸套形状和油膜气穴效应等因素的影响，建立了活塞环-气缸套摩擦副三维弹性流体压力润滑模型。分析结果表明，气缸套圆周方向上的非对称性对活塞环-气缸套摩擦副的润滑性能影响很大。

2005年，白敏丽等人[39]建立了活塞环组的非稳态热混合润滑模型，分析了活塞环组的润滑和摩擦特性。

2008年，周龙等人[40]基于三维瞬态热传导模型、润滑油膜传热模型和流体压力润滑模型，考虑表面粗糙度、润滑油黏度和温度变化以及油膜破裂位置等影响因素，建立了活塞环-气缸套摩擦副的三维非稳态热混合润滑摩擦模型，得到了润滑油膜的黏度、温度和最小油膜厚度等。

2013年，张俊红等人[41]以第一道气环为研究对象，基于空穴效应的质量守恒原理，建立了活塞环-气缸套摩擦副的统一润滑控制方程。分析表明，润滑油膜的压力分布取决于活塞环速度和边界气体压力，空穴效应影响润滑油分布和最小油膜厚度。

2015年，孙军等人[42]建立了活塞环-气缸套间润滑油的流动模型，分析了进口处不同润滑油供给量对活塞环-气缸套摩擦副润滑特性的影响。结果表明，增加进口处润滑油供给量，可以显著提高活塞环-气缸套摩擦副的润滑性能。

2017年，苗嘉智等人[43]将微凹坑表面织构镶嵌于气缸套切片的内表面中，使用往复式摩擦磨损试验机研究其处于不同工况下的摩擦学性能和对活塞环-气缸套摩擦副摩擦性能的影响。结果表明，微凹坑表面织构能显著提高活塞环-气缸套摩擦副的摩擦性能。

2 活塞环设计软件系统

在活塞环设计过程中，一般需要根据内燃机用途等多方面的要求，经过反复计算和验证，确定活塞环的设计参数。所以，活塞环的设计过程非常复杂繁琐。随着计算机和软件技术的进步，可以基于不同软件平台，利用编制的计算机软件进行活塞环设计、分析、优化和检测。

为了提高活塞环设计效率和规范活塞环工艺设计的基本流程，黄代凤[44]基于Visual Basic语言开发了活塞环工艺路线设计软件系统。该软件系统基于刀具库、滚轮库、工艺模板库和产品代码库等数据库，依照工艺软件流程设计不同的操作界面。尺寸参数既可在各界面之间按照设计工艺流程进行传递，也可在菜单界面进行设计输入，还可实现相关工艺个性化修改。通过编制不同的工艺模板，该软件系统可适用于不同产品。

为了减少活塞环铸造环模设计过程中的工作量，避免传统方式中产生的人为误差，秦在高等人[45]基于VisualBasic语言，编制了模块化计算机程序。

为了保证活塞环的加工质量，王瑞等人[46]基于VisualC++6.0语言，开发了活塞环型线在线检测系统，可对活塞环外圆轮廓进行在线检测、误差分析、图形显示和误差修正补偿等，实现活塞环加工测量一体化。

3 分析与展望

随着活塞环润滑分析等方面的研究不断深入，活塞环设计技术日趋成熟。计算机等相关技术的发展，使活塞环设计越来越智能化和自动化。由于活塞环设计过程的复杂性和多样性，活塞环设计技术仍存在需要进一步研究的方面。

1）活塞环设计理论有待进一步完善。活塞环设计过程非常复杂，到目前为止，没有一套详细和完整的活塞环设计理论。活塞环的实际工作情况非常复杂，包括轴向运动、径向运动和回转运动等。现有的设计理论在建立活塞环运动模型方面比较理想化，建立的模型忽略了活塞环的扭曲振动等影响因素，在一定程度上与实际不相符，不能反映活塞环在环槽中的实际运动情况和运动规律。

2）深入研究各类活塞环的具体设计过程。应用于内燃机的活塞环种类存在多样性，不同活塞环的具体设计过程不同。需进一步研究各类活塞环的设计过程，针对不同种类的活塞环，建立相应的数据库，优化活塞环设计。

3）进一步开发人工交互等功能更加完整的活塞环设计软件。基于软件平台的活塞环设计系统，可以将活塞环设计理论运用于实际设计。现有的活塞环设计软件可以完成从参数输入到活塞环设计计算，再到活塞环轮廓模型建立的过程。但是，目前还没有功能完整、人机交互良好的从参数输入、活塞环计算到结果输出的设计系统。在今后的活塞环设计软件开发中，可考虑采用Visual Basic、Java等汇编语言。

4）进一步研究性能优异的新结构活塞环，满足内燃机技术发展对各类活塞环润滑、摩擦功耗和使用寿命等性能的要求。

5）现代设计技术在活塞环设计中的应用。目前，一般采用经典力学方法计算活塞环安装应力、工作应力和疲劳强度，在分析的全面性和准确性等方面存在一定问题，且无法对活塞环温度分布、抗拉缸和活塞环组件性能等进行分析。随着现代设计技术的发展，可应用有限元分析等方法对活塞环进行更加接近实际的分析计算，满足实际活塞环的设计要求。

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