活塞环的结构、工作原理与表面处理

1活塞环表面镀膜（PVD）技术

广州有色金属研究院粤有研材料表面科技有限公司从事物理气相沉积技术研究开发工作已有二十几年的历史，以电弧离子镀、非平衡磁控溅射及多种技术复合为主要研究方向，近年来，完成了大量的国家、省市、军工项目，取得了一批科研成果获得省部级二等奖两项、三等奖三项。在机械功能薄膜的超硬、耐磨、减摩方面不断完善，开拓新的膜系。经过多年的努力，已建成镀膜设备齐全、先进、膜层性能分析手段全面，并拥有一支高水平的研究开发队伍的先进薄膜产业化基地。 为了改善发动机的燃油耗，必须使燃油在气缸内进行高效燃烧，尽可能地将燃烧能量无损地作为驱动力加以有效利用。减少摩擦可直接降低这种能量的损失，它直接关系到发动机燃油耗的改善，因此作用非常重要。但是这些滑动部位大多处在严酷的边界润滑状态，因此在要求低摩擦的同时，也要求有高的耐磨性能。活塞/活塞环部分的摩擦随着发动机转速的升高而增加，在发动机总摩擦损失中占40～50％。活塞环是内燃机心脏的一个关键零件， 它的表面处理质量直接影响到内燃机的性能 因此，对活塞环的表面处理很重要。 采用物理气相沉积（设备见图1）有如下优点：能产生很硬的陶瓷涂层，这有利于提高耐磨性；涂层均匀一致，且孔隙度小，涂层结合强度高（大于70 MPa)；涂层表面粗糙度小，可不需加工。活塞环所采用的TiN（金黄色，见图2）、CrN（银灰色）、ZrN（青黄色）、TiAlN（从褐色到黒色可调）等是利用物理气相沉积 (PVD)工艺在合金钢活塞环上形成的数微米厚的硬质薄膜。这种硬质薄膜的耐磨性优于一般的镀铬，因此滑动面的平滑性得到保持，从而也可望获得减摩效果。类金刚石膜（DLC）已在赛车发动机活塞环上作过应用尝试，与CrN

相比，在确保同等耐磨性的同时，有效地降低 图1计算机全程监控的十二弧源离子镀膜机 2了摩擦，并将处理费用控制在同等水平，从而提高了生产率。从TiN、CrN之类的PVD硬质薄膜向在机油中有良好润滑性的、超硬和超低摩擦的类金刚石膜过渡，是今后减摩表面处理技术的发展方向。

活塞环的⽣产⼯艺

活塞环是发动机的关键部件，其性能直接影响发动机的⼯作效率和使⽤寿

命。因此，⽣产⾼品质的活塞环对于保证发动机的性能⾄关重要。本⽂将对活

塞环的⽣产⼯艺进⾏详细的探讨。

⼀、原料准备

活塞环⽣产的⾸要步骤是准备原材料。通常，活塞环采⽤⾼碳钢、合⾦钢

等材料制成，这些材料具有⾼强度、耐磨损和耐腐蚀的特性。在原料准备阶

段，需对原材料进⾏质量检查，确保其化学成分、⾦相组织和机械性能符合标

准要求。

⼆、⽑坯制造

活塞环的⽑坯制造可以采⽤不同的⽅法，如锻造、铸造和粉末冶⾦等。根

据材料和⼯艺要求，选择合适的⽑坯制造⽅法。例如，对于⾼碳钢材料，通常

采⽤锻造⼯艺制备⽑坯。在⽑坯制造过程中，需严格控制⼯艺参数，确保⽑坯

的尺⼨精度和内部质量。

三、热处理

热处理是活塞环⽣产中的重要环节，其⽬的是调整材料的内部结构，提⾼

其⼒学性能。根据不同的材料和⼯艺要求，制定合理的热处理⼯艺，包括加热

温度、保温时间和冷却⽅式等。通过热处理，可以改善材料的硬度和耐磨性，

提⾼活塞环的使⽤寿命。

四、切削加⼯

切削加⼯是活塞环⽣产中的主要加⼯环节，通过⻋床、铣床、磨床等切削

设备对⽑坯进⾏加⼯，得到所需的形状和尺⼨。在切削加⼯过程中，应注重提

⾼加⼯精度和降低表⾯粗糙度，这有助于减⼩摩擦阻⼒，降低活塞环与⽓缸壁

之间的磨损。同时，切削加⼯过程中产⽣的切屑应及时清理，以免影响产品质

量。

五、表⾯处理

活塞环的表⾯质量对其耐磨性和密封性能具有重要影响。因此，在⽣产过

程中需要进⾏表⾯处理。常⻅的表⾯处理⽅法包括喷丸、抛光和镀层等。喷丸

处理通过喷涂⾼速钢丸打击表⾯，使表⾯形成⼀定程度的硬化层，从⽽提⾼其

抗磨损能⼒。抛光则是采⽤抛光布和抛光液对表⾯进⾏抛光处理，以获得光滑

的表⾯质量。对于⼀些特殊⽤途的活塞环，可能需要在表⾯进⾏镀层处理，例

如镀铬、镀锌等，以提⾼其耐腐蚀性和耐磨性。

六、质量检测与包装

在活塞环⽣产过程中，应定期进⾏质量检测，以确保产品质量符合要求。

检测项⽬包括尺⼨检查、外观检查、性能测试等。尺⼨检查主要检查活塞环的

活塞环基本知识

活塞环是发动机的重要零件之一。活塞环分为气环和油环两种。活塞环的作用：密封气体；均匀分布气缸壁上的润滑油，并防止润滑油窜入燃烧室；导出活塞上的热量；支承活塞，防止活塞直接与气缸壁接触。活塞环工作的好坏直接影响发动机的性能、工作可能性和使用寿命。

1 活塞环的作用

1.1气环的作用

气环起密封气体及导热的作用，其本身具有一定弹力。将环压在缸壁上。当发动机工作时，高压气体进入环槽，一方面将环压紧在环槽上，另一方面环背将更紧密地压在缸壁上起到更好的密封作用。当气体通过第一道环隙窜入第二道时，压力已大大降低。而且第二道环漏泄的气体极少。为了进一步减少摩擦损失，有的发动机只采用一道气环。第二道气环密封任务较轻，而且工作条件较一道好些。为了避免机油窜入燃烧室，所以要求第二道气环除密封气体外，还有一定的刮油作用。

1.2 油环的作用

油环的作用是将一定的润滑油均匀分布在缸壁上，防止润滑油窜入燃烧室并保证活塞环和缸壁的润滑。

油环要刮下缸壁上多余的油,须较大的径向力将环压在缸壁上。由于环背没有气体压力的帮助，故环本身要具有较大的弹力及较小的接触面积，同时刮下的润滑油要能顺利地流回油底壳，所以油环槽背设有回油孔或切口。

2 活塞环的结构分析

2.1活塞环各部分名称，如图1所示。

2.2切口形式

活塞环切口基本上有3种形式：直切口、斜切口和梯形切口，如图2所示。其中用得最普遍的是直切口。二行程发动机为防止环切口与缸壁上的气口相碰，在切口处用销钉档住，不让环在环槽内转动，如图3所示。

2.3 常用气环断面形状

气环断面形状如图4所示。

矩形环：断面呈矩形，制造简单，广泛采用。

锥形环：将工作面制成小锥度以提高表面接触压力，有利于是磨合密封，并有一定的刮油作用。锥形环用肉眼不一定能看出锥角，所以一定要做标记，不能装反。正确安装应是正锥形，其锥顶向上。

发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。

由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考虑到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好，耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小），相对密度小（重量轻），耐磨及耐腐蚀，还要成本低。

由于要求多而高，有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材具有密度小，导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。所以，汽车发动机的质量优劣，不但要看采用的材料，同时也要看设计的合理性。

一般活塞都是园柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。

头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。

活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。

活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。