摘要：活塞环是具有弹性的金属开口圆环，按功用不同可分为气环和油环两种。安装在活塞头部上端的是2～4道气环，下端的是1～2道油环。活塞环工作时承受气缸中高温（第一环温度可达600 K以上）、高压燃气的作用，并在气缸内做高速往复运动，加之高温下机油变质，润滑条件恶劣，难以维持稳定的液体润滑，磨损严重。因此，活塞环是柴油发动机中工作环境最恶劣、使用寿命最短的零件之一，要求其具有良好的弹性、高强度和优异的耐磨性。本文从活塞环的结构与材质出发，系统阐述了气环的密封机理与导热功能、油环的布油与刮油作用；详细解析了活塞环的化学成分、热处理、刚度、型线设计、应力消除等一般技术要求；归纳了活塞环的强度、硬度等材料性能指标；深入分析了密封、导热、控油、支撑四大功能的实现机理；最后给出了径向压力分布、切向弹力、平均比压、自由开口尺寸及工作应力等关键性能参数的计算公式。本文可为活塞环的设计选型与失效分析提供理论依据。
一、活塞环的结构和材质
活塞环是活塞与气缸之间的密封装置（如图1所示），其核心功能是密封气缸，防止燃烧室内高压燃气泄漏，同时保持活塞在气缸内的运动稳定性。活塞环由多个环组成，每个环有其特定的功能和安装位置。活塞环通常由钢材或优质铸铁制成，具有高强度和优良的耐磨性。活塞环包括上环（第一道气环）、中环（第二道气环）和下环（油环），分别安装在活塞头部的环槽中。如图2所示，上环位于活塞环槽的最上方，中环位于上环与下环之间，下环位于活塞环槽的最下方。
1. 气环
气环的功用是保证活塞与气缸壁之间的密封，防止活塞上部的高压气体漏入曲轴箱。当密封不良时，压缩冲程中的气体泄漏量增大，使压缩终了的压力降低，对于柴油机会造成启动困难。高温燃气漏入曲轴箱还会使活塞温度升高，机油因受热而加速氧化变质。除密封作用外，气环还承担传热功能——活塞顶部所吸收的热量，大部分（约70%）要通过气环传给气缸壁（因活塞头部并不直接接触气缸壁），再由冷却系统带走。
（1）工作原理：第一道气环除了随活塞沿气缸壁作高速往复直线运动外，还承受高温和高压燃气的直接冲击，润滑条件恶劣，这些因素使气环的力学性能降低、弹性下降，并可能引起润滑油碳化，严重时甚至造成拉缸和漏气。因此，气环必须有足够的弹力，使环的四周紧贴在气缸壁上。此时高压燃气不可能通过气环与气缸壁之间的接触面直接漏出。作用在环上端面的燃气压力使环紧压在活塞环槽的下端面上；进入环内侧面与环槽之间的燃气，其压力向外推挤，使环更加贴紧气缸壁。气环利用自身的弹力和燃气压力，即可有效阻止高压燃气的泄漏。
活塞环通常采用优质灰铸铁或合金铸铁制成。为提高第一道气环的工作性能和耐磨性，常在表面镀覆多孔性铬层或钼层。近年来，第一道气环也有采用球墨铸铁或钢制材料。在自由状态下，环的外径略大于气缸直径；装入气缸后，活塞环产生弹力压紧在气缸壁上，开口处保留一定的间隙（称为端隙或开口间隙，柴油机活塞环的开口间隙通常为0.4～0.8 mm），以防止活塞环受热膨胀时卡死在气缸中。活塞环装入环槽后，在高度方向也应有一定的间隙（称为侧隙，柴油机活塞环的侧隙通常为0.08～0.16 mm）。安装活塞环时，应按规定将各环的开口处互相错开120°～180°，且活塞环开口应与活塞销座孔错开45°以上，以防漏气。
（2）气环的密封机理：如图4所示，活塞环有一个切口，在自由状态下不是正圆形，其外形尺寸比气缸内径略大。装入气缸后，环产生弹力紧贴在气缸壁上。燃气压力作用使环压紧在环槽下端面，燃气绕流到环的背面并膨胀，压力下降；同时，燃气压力对环背的作用使环更紧地贴在气缸壁上。压力已降低的燃气从第一道气环切口漏到第二道气环上平面时，又把第二道气环压贴在第二环槽下端面，燃气再绕流到其背面并再次膨胀，压力进一步降低。如此逐级进行，从最后一道气环漏出的燃气压力与流速已大幅减小，泄漏量极少。数道切口相互错开的气环构成的“迷宫式”封气装置，足以对气缸中的高压燃气进行有效密封。
2. 油环
通常活塞上装有1～2道油环。当采用两道油环时，下面一道多安装在活塞裙部下端。无论活塞下行还是上行，油环都能将气缸壁上多余的机油刮下来，经活塞上的回油孔流回油底壳。目前广泛应用的是组合式油环，由三个刮油钢片和两个弹性衬环组成，轴向衬环夹装在第二与第三刮油钢片之间，径向衬环使三片刮油钢片紧贴在气缸壁上。油环的作用包括：（1）布油润滑：将机油均匀地刮配到气缸壁上；（2）刮油：将多余的机油刮下回流到油底壳；（3）辅助密封：辅助气环密封气体。
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图1 柴油机活塞环零件图 |
图2 柴油机活塞环结构图 |
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图3 柴油机活塞环工作原理 |
图4 活塞环的断面形状及各环间隙处的气体压力 |
二、活塞环一般技术要求
活塞环的制造质量直接影响发动机的动力性、经济性和可靠性，其技术要求涵盖材料、加工、检测和性能验证等多个方面。
1. 化学成分与金相组织控制
（1）材质基础：活塞环广泛使用各种牌号的铸铁，包括灰铸铁、合金铸铁（含铬、钼、镍等元素）、球墨铸铁及可锻铸铁。材质是决定活塞环机械性能与使用寿命的根本。
（2）成分控制要点：
① 碳含量：一般控制在3.2%～3.8%，保证良好的铸造流动性和硬度。
② 硅含量：控制在1.8%～2.6%，促进石墨化，改善铸造性能。
③ 锰含量：控制在0.6%～1.0%，提高强度和硬度，消除硫的有害影响。
④ 合金元素（铬、钼、镍）：适量添加可细化珠光体组织，提高高温强度和耐磨性（Cr 0.25%～0.45%，Mo 0.3%～0.6%）。
（3）金相组织要求：
① 石墨形态：应呈均匀分布的细小片状或球状（球墨铸铁），石墨长度控制在3～6级（按GB/T 7216评级），过长的石墨会降低强度，过短则影响减摩性。
② 基体组织：应为细珠光体（珠光体含量≥90%），允许少量铁素体（≤5%），禁止出现粗大珠光体或网状渗碳体。
③ 碳化物分布：碳化物应呈细小、均匀分布，不允许有粗大、连续网状或块状碳化物（碳化物级别≤3级）。
（4）工艺控制：在标准规定范围内合理调整材料成分比例，严格控制造型工艺（型砂湿度与紧实度）、浇铸温度（1360～1420 °C）和冷却速度，确保活塞环具有符合设计要求的最佳金相组织（如图5所示）。不合格的金相组织将直接导致环的脆性断裂或早期磨损。
2. 热处理工艺
（1）热处理目的：采用适当的热处理方法，一方面调整活塞环的金相组织（消除铸造过程中形成的不稳定组织），另一方面消除加工过程中产生的内应力，稳定尺寸。
（2）主要热处理类型：
① 消除应力退火：铸造后的毛坯在500～650 °C下进行退火，消除铸造冷却过程中产生的热应力。
② 石墨化退火：使游离碳充分石墨化，改善切削加工性能。
③ 淬火与回火：对合金铸铁环或钢制环，在850～950 °C加热后油淬或水淬，随后在500～600 °C回火，获得回火索氏体组织，提高强度和韧性。
（3）质量控制：热处理后的硬度应均匀，同一批次的硬度偏差不超过±3 HRB（或±40 HV），金相组织符合设计要求。
3. 刚度与加工工艺保证
（1）刚度特性：活塞环是典型的“刚度差、弹性强”的薄壁零件。其截面高度（径向厚度）与直径之比通常为1/20～1/25，在加工过程中极易因装夹力过大而产生弹性变形，导致加工后回弹引起尺寸和形状偏差。
（2）装夹要求：
① 加工时必须采用专用弹性夹具或涨芯夹具，避免径向夹紧力造成环体变形。
② 粗加工与精加工应分阶段进行，粗加工采用较大切削量，精加工采用微量切削（切削深度≤0.05 mm）。
③ 对于薄环（环高≤2 mm），应优先采用无心磨削工艺替代车削，以减少切削应力。
（3）尺寸精度要求：外圆直径公差不超过±0.02 mm，环高公差不超过±0.008 mm，开口间隙公差不超过±0.05 mm。最终检测时必须达到规定的尺寸、形状与粗糙度要求（外圆表面粗糙度Ra≤0.4 μm，端面Ra≤0.2 μm）。
4. 端面保护与基准面要求
（1）基准面重要性：活塞环的两个端面（上端面和下端面）不仅是重要的工艺基准面（加工外圆、内圆的定位基准），也是与活塞环槽接触的工作面，直接影响密封效果和热传导。
（2）技术要求：
① 端面平面度应控制在0.01 mm以内（对应国标GB/T 1149相关要求）。
② 端面粗糙度Ra≤0.2 μm，以保证与环槽下端面的紧密贴合，减少漏气通道。
③ 两端面平行度不超过0.01 mm。
（3）保护措施：在加工流程的各个工序（包括搬运、清洗、测量）中，应注意清洁端面、防止碰伤和划痕。存放时应使用专用插环架，避免环之间相互碰撞。任何端面损伤都可能导致密封失效，因此不合格端面的环应直接报废。
5. 型线设计与仿形加工
（1）型线设计意义：为保证活塞环装入气缸后具有合理的缸壁压力分布（避免局部压力过高导致拉缸或过低导致漏气），必须设计恰当的环自由状态型线（即非圆形轮廓）。
（2）常用型线形式：
① 椭圆型线：使环装入气缸后压力分布均匀，适用于等压环设计。
② 梨形型线：在开口对侧增大曲率，使开口附近压力升高，适用于高点环。
③ 多弧组合型线：由多个不同半径的圆弧拼接，用于特殊压力分布要求。
（3）加工实现：
① 采用高精度曲线凸轮控制磨削轨迹，实现仿形磨削外圆。
② 凸轮轮廓曲线的设计精度直接影响活塞环的缸壁压力分布均匀性，凸轮制造精度应不低于±0.005 mm。
③ 对于小批量或研发试制，可选用数控外圆磨床直接编程加工，无需机械凸轮。
6. 应力消除
（1）应力来源：活塞环在加工过程中会产生多种残余应力，主要包括：
① 铸造残余应力（铸造冷却不均引起）。
② 切削加工应力（车削、磨削时表面层塑性变形引起）。
③ 校圆应力（为保证圆度而进行的校形操作产生的应力）。
④ 弯曲应力（自由状态的非圆形设计本身就存在弯曲应力）。
（2）应力消除方法：
① 热处理消除应力：在精加工前进行300～350 °C的低温回火（时效处理），保温2～4小时，随炉冷却至室温，消除加工残余应力。
② 多次加荷法：在专用夹具上对环施加周期性交变载荷（模拟工作状态），使残余应力重新分布并趋于稳定。
③ 合理的刀具角度与切削量：采用正前角刀具（前角15°～20°）、较小切削深度（≤0.1 mm）和适中进给量，减小切削热和塑性变形层厚度，从源头减少应力产生。
（3）应力检验：经应力消除处理后，活塞环在测量平台上自由放置时，开口尺寸变化应不超过±0.05 mm，表明应力已基本消除。活塞环应力曲线如图6所示。
7. 性能与寿命
（1）表面处理类型与作用：
① 镀铬处理：在第一道气环外圆表面镀覆多孔性硬铬层（厚度0.08～0.15 mm），铬层具有高硬度（HV 850～1000）和优异耐磨性，微孔结构可储油，改善润滑。
② 喷钼处理：采用等离子喷涂工艺在环外圆喷涂钼合金层（厚度0.15～0.30 mm），具有更高的熔点和高温抗氧化性，特别适用于高强化柴油机的第一道环。
③ 氮化处理：对钢制环进行气体氮化或离子氮化，获得表面高硬度层（HV 800～1000），提高耐磨性和抗咬合性。
④ 磷化处理：在环表面形成磷酸盐膜，改善初期磨合性能，减少拉缸风险。
（2）处理前后的加工要求：
① 表面处理前，环的尺寸应留出处理层厚度的加工余量。
② 处理后，对镀铬或喷钼层进行精磨，保证外圆尺寸精度和粗糙度。
③ 处理层与基体的结合强度应满足要求（喷钼层结合强度≥30 MPa），不得有剥落、起皮缺陷。
（3）寿命指标：优质活塞环在正常工作条件下，使用寿命应不低于8000～12000运行小时（与缸套配对，二者同步磨损）。
8. 加工设备与检测手段
（1）设备要求：由于活塞环形状结构的复杂性与多样化，尺寸精度要求高，且批量较大，宜采用工序集中的高效率、高精度专用设备：
① 仿形外圆磨床（用于外圆型线加工，精度±0.005 mm）。
② 双端面磨床（用于端面研磨，平行度≤0.008 mm）。
③ 全自动开口加工机床（用于开口铣削或线切割，间隙精度±0.02 mm）。
④ 数控内圆车床（用于内圆与环槽加工）。
（2）检测设备与方法：
① 光学投影仪（检查型线与外圆轮廓，放大倍率20～50倍）。
② 圆度仪（测量圆度与圆柱度，精度0.0005 mm）。
③ 硬度计（洛氏硬度计或维氏硬度计，用于硬度抽检）。
④ 金相显微镜（检查石墨形态与基体组织）。
⑤ 活塞环弹力测试仪（测量切向弹力，精度±0.5 N）。
⑥ 三坐标测量仪（用于全尺寸综合检测）。
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图5 活塞环材料金相组织结构 |
图6 活塞环材料应力曲线图 |
三、活塞环材料要求和功能
1. 性能要求
（1）强度：抗弯强度是衡量活塞环强度的重要参数。活塞环在安装与工作中均受弯曲应力，抗弯强度不足则易于折断。为适应发动机强化发展，减少活塞环与缸壁摩擦损耗的功率，设计时往往要求环高尽可能薄，同时保证足够弹力，这对材料的抗弯强度提出了更高要求。各种材料的抗弯强度见表1。
表1 活塞环强度性能参数
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种类 |
抗弯强度（MPa） |
|---|---|
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单体铸造活塞环 |
392～450 |
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筒体铸造活塞环 |
480～520 |
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可锻、半可锻铸铁环 |
600～950 |
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球墨铸铁环 |
900～1300 |
（2）硬度：活塞环材料的硬度在一定程度上反映其耐磨性。活塞环与气缸壁之间不可避免地存在夹杂物（尽管燃油与空气均经过滤清），这些夹杂物起着研磨剂作用，形成磨料磨损。因此需要硬度高、抗磨料磨损能力强的材料。但硬度过高不仅加工困难，而且易于拉缸，对相配的气缸套也提出限制。JB/T 51105—1999规定的硬度允许范围见表2。
表2 活塞环硬度性能参数
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种类 |
硬度 |
同一片环上的硬度差 |
|---|---|---|
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合金铸铁环（环直径≤150 mm） |
98～108 HRB |
≤3 HRB |
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合金铸铁环（环直径＞150 mm） |
94～105 HRB |
≤3 HRB |
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可锻、半可锻铸铁环及球墨铸铁环 |
98～110 HRB |
按产品图样规定 |
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钢环（经淬火、回火处理） |
400～580 HV |
≤40 HV |
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钢环（冷轧材料） |
≥367 HV |
≤40 HV |
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不锈钢环 |
按产品图样规定 |
≤40 HV |
2. 活塞环的四大功能
（1）密封功能：在压缩和膨胀冲程中，活塞环对由上而下的燃气起密封作用。其中第一道环密封约80%～90%的气体，第二道环密封约10%～20%，油环辅助密封约5%的气体（如图7所示）。
（2）导热功能：活塞上约70%的热量经活塞环端面导入缸套，其中第一道及第二道气环对导热起主导作用，确保活塞热平衡（如图8所示）。
（3）控油功能：将飞溅或喷射到缸壁上的机油均匀分布在气缸壁上，并将多余的机油刮下，经活塞与缸套间隙、活塞油槽泄油孔回流至曲轴箱。油环控制约70%～90%的机油，气环控制约10%～20%（如图9所示）。
（4）支撑功能：活塞、活塞环作同步往复运动时，活塞对活塞环施加较大的正压力（往复惯性力）。当曲柄连杆对活塞产生侧压力使活塞偏摆时，活塞环因正压力作用对活塞施加摩擦反作用力，从而对活塞起支撑作用（如图10所示）。
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图7 活塞环密封功能示意图 |
图8 活塞环导热功能示意图 |
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图9 活塞环控油功能示意图 |
图10 活塞环支撑功能示意图 |
四、活塞环的性能计算
1. 径向压力分布
活塞环在自由状态下不是正圆形，曲率半径沿环周变化且大于气缸半径，装入气缸后才成为正圆形。环的自由状态决定装入气缸后的径向压力分布，主要分为三种：
（1）等压环：从自由状态到工作状态后，沿环周的径向压力均匀分布，即。等压环使用后因磨损等原因，环周压力分布恶化，开口处径向压力急剧下降，使用寿命较短，一般用于二冲程中速发动机。
（2）高点环：开口处径向压力高于平均径向压力（可达3:1），能提高环开口端的减震能力和耐磨性，气密封好。现代高速四冲程柴油发动机广泛应用高点环。
（3）低点环：开口处径向压力低于平均径向压力，主要用于二冲程柴油机和大型柴油机，以防止环端跳入气口使环折断，或矫正热变形影响以保证均匀贴合。
2. 工作状态下活塞环的闭口间隙
闭口间隙一般按GB/T 1149选取或按产品图纸要求确定，但最小间隙必须大于下式计算值：
式中：为缸径（mm）；为热膨胀系数，合金铸铁取为温差，气环取100 °C，油环取80 °C。
3. 切向弹力
切向弹力是在环切口处径向厚度中点上沿切线方向施加力，使环从自由开口尺寸压缩到闭口间隙时所需的力。尺寸系列的切向弹力值仅适用于平均弹性模量的材料（非调质铸铁环）。镀铬或喷钼活塞环的切向弹力修正系数为推荐值的0.9倍。
式中：为弹性模量（kgf/mm²）；为环高（mm）；为自由开口尺寸（mm）；为闭口间隙（mm）；为缸径（mm）；为径向厚度（mm）；为断面减弱系数；为表面处理对弹力的减弱系数（镀铬环一般取8%～11%，球铁环取8%）。
活塞环设计时首先确定切向弹力，再决定自由开口尺寸。高速发动机活塞环设计通常通过改变径向厚度来调节弹力。
4. 平均比压
比压是活塞环设计的重要参数，直接影响密封性、摩擦损失和耐磨性。比压过高则磨损加剧，缸套磨损严重；比压过低则密封性差，导致烧机油、加剧磨损、抗振性差、易断环。一般选择原则：合金铸铁为1.5～2.0 kgf/cm²，球墨铸铁为1.5～2.5 kgf/cm²。
式中：为环外圆面与气缸壁的接触高度（等于刮片数量与刮片高度的乘积，mm）；为切向弹力（N）；为缸径（mm）。
5. 自由开口尺寸
自由开口尺寸指在自由状态下环开口两端径向中点的弦距。其大小既要满足弹力要求，又要满足工作应力和安装应力要求。值过大则工作应力较大，会造成较大弹性消失；值过小则安装应力较大，易断环或过度变形失去圆度。一般合金铸铁气环和整体油环，最大不超过16%；球铁环，最大不超过12%；内撑弹簧组合油环比相应平环小4～5 mm。
6. 活塞环的工作应力和安装应力
工作应力：
安装应力：
式中各符号含义同上。按有关标准，合金铸铁工作应力，球墨铸铁，但实际可略高（合金铸铁约30 kgf/mm²，球墨铸铁约50 kgf/mm²）。安装应力：合金铸铁，球墨铸铁。
总结
活塞环的制造是一个涉及材料科学、精密铸造、热处理、仿形加工和精密检测的系统工程。化学成分的精确控制与金相组织的优化是性能的基础；热处理消除应力并稳定尺寸；加工过程中必须保证足够的刚度以防止弹性变形，保护端面作为工艺基准面；型线设计决定了缸壁压力分布的合理性；应力消除保证了尺寸稳定性；表面处理（镀铬、喷钼、氮化等）显著提升了耐磨性和使用寿命；而高效的加工与检测设备则是实现上述各项技术要求的硬件保障。活塞环在发动机中同时承担密封、导热、控油和支撑四大功能，其设计质量直接决定了发动机的功率输出、机油消耗和排放水平。正确理解并严格执行活塞环的各项技术要求，是确保发动机可靠运行和延长使用寿命的重要前提。
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