摘要： 活塞环是柴油发动机的关键部件，康明斯大部分柴油发电机活塞环具有三道气环和一道油环。活塞环是布置在气缸壁和活塞之间的金属密封件，用于从曲轴箱密封燃烧室，并便于从活塞到气缸的热传递。活塞环的其它功能是用来防止润滑不需要的油从曲轴箱移动到燃烧室并在气缸孔表面上提供均匀的油膜。为此，活塞环必须保持接触气缸和活塞，径向接触通常通过活塞环的固有弹簧力实现。活塞环还被用作旋转轴的金属密封件，并还用作收缩和膨胀密封件。活塞环的密封性能对柴油发电机的工作效率、排放性能和寿命都有着重要的影响。本文系统介绍康明斯柴油发电机三道气环和一道油环的类别划分与布置规律，详细阐述第一道筒面梯形环、第二道和第三道锥面扭曲环以及第四道螺旋弹簧胀圈油环的材料特性、断面结构和功能特点；从活塞环的断面形状和切口形状两方面分析形状设计原则与参数选择依据；最后给出径向厚度与环高的结构尺寸确定方法及其对发动机性能的影响规律，为活塞环的选型设计、故障分析与维修更换提供技术参考。
一、活塞环类别和布置
活塞环分为气环和油环两大类。气环用于对活塞和缸套之间进行密封，防止燃烧室内的高温燃气通过活塞和缸套之间的缝隙泄漏，使尽可能少的燃气泄漏至曲轴箱内；油环用于对缸套上的润滑油进行刮擦控制，将多余的润滑油刮到曲轴箱内，同时保证适量的润滑油留在缸套内表面，使其对缸套和气环之间的相对滑动面进行润滑。康明斯大部分柴油发电机采用三道气环和一道油环的配置，自活塞顶部向油底壳方向依次为第一道气环、第二道气环、第三道气环和第四道油环。
1. 第一道气环
（1）工作环境与失效风险。靠近燃烧室的第一道气环的工作环境最为恶劣，承受最高的燃气温度和压力，因此将第一道气环采用扭曲环，使第一道气环的外周壁与缸套良好接触。在活塞上行时，第一道气环外周壁上的最高点与缸套保持线性接触，从而保证第一道气环的密封效果，且在第一道气环上行时起到良好的布油效果。但实际工作过程中，第一道气环的周向变形不均匀，使活塞上安装活塞环的环槽、活塞环底面以及活塞外圆面的磨损更加严重，尤其是第一道气环的开口处，气体压力较高，活塞环的扭曲变形较大，特别是在发动机运行时间接近大修寿命时，活塞环的顶面尖角极易与缸套内表面接触，造成活塞环上行时将缸套上的机油刮到燃烧室中，造成机油油耗增加，严重的甚至会导致活塞出现拉缸现象。
（2）材料与断面形状。康明斯柴油发电机第一道气环由可锻铸铁制成，断面为梯形，与气缸接触的环表面为筒形并镀铬。这种环为筒面梯形环，如图1所示，其主要特点是活塞环的外圈表面制成凸圆弧形。运转良好的活塞环，使用后的环周表面多呈现圆弧形，所以新环也可加工成这样的形状。筒面梯形环的优点是：当活塞上下运行时都可以形成楔形油膜，保证良好的润滑；环面和缸壁是圆弧接触，能很好地适应活塞摆动；环与气缸接触面极小，有利于密封；工作时环隙变化，环与环槽的相对运动可防止环积炭结胶，密封性好，耐磨，寿命长。
2. 第二道气环
（1）材料与断面结构。康明斯柴油发电机第二道气环由球墨铸铁制成，断面为梯形扭曲面，环外表面有2°锥角。
（2）工作特点。这种环工作时扭曲，扭曲后环与环槽上下侧面为线接触。其特点是密封性好，并可减轻对环槽的冲击；环扭曲后，以底棱边和缸壁接触，再加上环外面呈锥形，这就能改善磨合状况并使活塞下行时刮油作用良好，活塞上行时易于在气缸壁上形成油膜，从而提高其耐磨性。除此之外，还具有上述梯形环的优点。
3. 第三道气环
（1）材料与安装方向要求。康明斯柴油发电机第三道气环的材料亦为球墨铸铁，断面为梯形扭曲面，与缸壁接触面呈2°锥角。
（2）安装防反注意事项。在安装上述活塞环时，都需特别注意，切勿装反，否则会引起机油消耗量剧增。气环上标有记号或“TOP”字样的活塞环，安装时应将记号或“TOP”的一面朝向活塞顶，不可装反。
4. 第四道油环
（1）材料与结构组成。康明斯柴油发电机第四道环是油环，为合金铸铁制成，两面有较大的倒角，与缸壁相接触的环外表面镀铬，在油环的内面安装有螺旋弹簧胀圈。
（2）功能特点与安装要求。这种环可提高环的径向压力，保证油环与气缸壁之间均匀而稳定的贴合，特别是当环外圆磨损时，弹力不会急剧下降，所以加强了刮油的能力及工作耐久性。两件组合式刮油环装上后，胀圈的开口与油环的开口应当相隔180°。安装活塞环时，各活塞环开口不得对准活塞销轴线方向，并且应相互错开。
常见的油环均采用钢带组合式结构，如图2所示，由上、下两片刮片环及中置的衬环组成。刮片环和衬环为配合热胀冷缩作用，均采用断开式结构，其中衬环采用波形钢结构，上下波纹的内缘形成台阶状的抵凸，刮片环内缘与衬环抵凸相抵。当油环卡入活塞油环槽，随活塞放置入气缸中后，衬环的波形结构形成弹性形变，通过抵凸的支撑作用将刮片环紧抵在气缸壁上。当活塞向上运动时，刮片环从下面带油，润滑气缸壁；当活塞向下运动时，刮片环将多余的油从气缸壁刮下，衬环的波形结构形成的通路可保障通油的顺畅。
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图1 活塞环的气环示意图 |
图2 活塞环的油环示意图 |
二、活塞环的形状设计
活塞环的设计要素可以从材料、断面形状等方面来进行分析、参数选择、方案对比。
1. 活塞环的断面形状
活塞环断面形状的设计是活塞环结构设计的重要组成部分。活塞环的断面形状应能满足密封性好、迅速磨合、刮油能力强的要求。断面形状设计从传统的简单确定经纬尺寸，发展到根据不同位置、不同环别以及该环所期望侧重的功能等综合选择断面形状。气环常用的主要断面形状有矩形、梯形、锥面形、扭曲形和桶面形等，如图3所示。油环常用的主要断面形状有外阶梯形、鼻形、内撑弹簧形等。现就内撑弹簧组合油环体断面有关结构参数作一简述。
（1）径向厚度（环体径向厚度）。由于环体径向厚度不受弹力的约束，为了减小环的安装和工作应力，并提高环的顺应性，径向厚度取3～5mm为宜。
（2）刮油边高度。刮油边高度定义是油环外圆面与缸壁接触的轴向高度。当平均径向压力确定后，刮油边高度和切向弹力成正比，根据实践经验，环高＜4mm时刮油边高度按0.5±0.1mm；环高＞4mm时，刮油边高度按0.6±0.1mm为宜。
（3）集油槽深度和槽底壁厚。为保证环体本身有足够强度，又有足够的存油，并满足回油畅通的要求，对集油槽深度和槽底壁厚有一定的设计范围。根据环磨损达到最大允许值时，开口间隙允许增大2～2.5mm，则半径方向的磨损量为0.30～0.40mm。据有关资料介绍，环磨损达到极限值时，油槽半径方向最小间隙为0.20mm，因此集油槽深度为0.7～0.8mm，个别可达0.9mm，槽底壁厚一般按1.5～2mm设计，具体尺寸由组合径向厚度和弹簧外径而定。
（4）回油孔高度和长度孔数。回油孔高度理论上要求在满足环的机械强度的基础上，有足够的机油通道即可，但还必须满足工艺上的要求，一般选用0.8、1.0、1.2、1.5mm。孔数按GB/T 1149.7—94规定选用或产品图纸要求。
（5）内槽圆弧半径。内槽圆弧半径一般比内撑体外径大0.1～0.15mm，圆弧形状为U形。
2. 活塞环的切口形状
活塞环的切口形状主要有三种：直切口、斜切口和搭叠式切口，如图4所示。活塞环安装时应使各种切口相互错开以减少漏气量。
（1）直切口。直切口如图4（a）所示，加工简单，得到广泛应用。
（2）斜切口。斜切口如图4（b）所示，与直切口相比，其实际间隙比较小，这样气体泄漏通道也相应变小了。切口斜角一般在30°～60°之间，通常以45°居多，也得到广泛应用。
（3）阶梯形切口。阶梯形切口如图4（c）所示，密封性好，但工艺性较差。
（4）带防转销钉槽的切口。如图4（d）所示，是活塞环的带防转销钉槽的切口示意图。压配在活塞环槽中的销钉，是用来防止活塞环在工作中绕活塞中心线转动的。
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图3 活塞环的断面形状示意图 |
图4 活塞环的切口形状示意图 |
三、活塞环的结构尺寸
活塞环的结构尺寸主要包括径向厚度和环高两大核心参数，此外还涉及开口间隙、背隙和侧隙等配合尺寸。各参数之间存在相互制约关系，设计时需综合权衡其对密封性、耐磨性、散热性和机械强度的影响。
1. 径向厚度
（1）基本定义与作用。径向厚度指环内、外圆之间的径向距离，即 ，其中 为气缸直径（即环外径），为环内径。径向厚度由缸径和活塞环槽底深度综合决定，直接影响活塞环的弹力、安装应力、工作应力以及柴油机的整体性能。
（2）径向厚度偏小的后果。径向厚度 偏小，则环的平均弹力（径向压力）随之减小，环对缸壁的贴合紧度不足，容易造成漏气窜油；同时环体截面积减小，导热截面变窄，散热比较困难，环的工作温度升高，加速热疲劳和磨损。显然，这对高速高负荷发动机是不利的。
（3）径向厚度偏大的后果。随发动机的高速化发展，环的径向厚度趋向于加大，对改善活塞传热、提高环的弹力和刚度是有利的。但若径向厚度过大，环在安装扩张时的弯曲应力显著增大，工作和安装时易发生折断；同时环的刚性过强，对气缸横向变形（椭圆度、热变形等）的顺应性变差，容易造成局部密封不良和异常磨损。
（4）径向厚度的设计取值范围。径向厚度与缸径之间应保持合理的比例关系。规定缸径 与径向厚度 的比值应在一定的范围内，一般 ，曲线如图5所示。对于缸径 mm的中型柴油机，径向厚度约为 3.6 \sim 6.8 mm。具体取值还需根据环的材料强度、环槽结构及发动机最高爆发压力进行修正。
（5）径向厚度的检测方法。维修测量时，将活塞环从气缸中取出，用游标卡尺在环体圆周上均匀取三点测量径向厚度，取平均值。若某处磨损超过原始尺寸的 10%，应更换活塞环。
2. 环高
环高是环两端面沿其轴线方向的最大公称尺寸，即环的轴向高度。环高的选取对活塞环的密封性能、摩擦损失、磨损特性和热稳定性均有显著影响。
（1）环高偏小的优点。环高不宜过高，主要基于以下优势：其一，较低的环高能较好地适应气缸的不均匀磨损和变形，可以避免棱缘集中负荷，从而提高环的抗粘着能力；其二，使活塞组往复质量和结构尺寸减少，活塞环槽磨损减少；其三，使环背和环槽间的空间变小，环背压力容易建立起来，提高了二次密封效能；其四，发动机摩擦功率损失小，气缸套的磨损将显著下降；其五，磨合速度快，缩短初期的运行适应期。
（2）环高偏小的风险。事物都是一分为二的。环高过小，将使活塞工作稳定性变差，从而可能引起活塞环与气缸壁之间表面接触应力集中，破坏缸壁油膜导致拉缸的可能；还可能导致磨料磨损增加（见图6）、易于折断、散热能力差等。这些都是要在设计时加以权衡的。
（3）环高的发展趋势与取值范围。对于高速发动机而言，减小环高是活塞环发展的总趋势，存在问题可以从材料及表面处理、结构设计等方面努力克服。对于小功率柴油机，一般气环环高 mm，近来还出现环高 mm 的实例。现代高性能柴油机第一道气环的环高通常为 2.0 \sim 2.5 mm，第二、三道环为 1.5 \sim 2.0 mm，油环环高一般为 3 \sim 5 mm（组合式油环可更薄）。
（4）环高的维修检测。用游标卡尺在环体圆周上均匀取四点测量环高，取平均值。若磨损量超过 0.05 mm 或环高尺寸低于出厂极限，应更换活塞环。
3. 开口间隙、背隙与侧隙
（1）开口间隙。活塞环装入气缸后，环开口处应保留一定的间隙，以防止环受热膨胀后开口闭合导致卡死或拉缸。开口间隙的典型值一般为 mm（视缸径大小而定），具体数值以制造商维修手册为准。测量时使用厚薄规（塞尺）在气缸内将环推至行程中部位置进行测量。
（2）背隙。背隙为活塞环内圆与环槽底部之间的径向间隙，作用是提供环背压力空间，使燃气压力能够作用于环的内侧，将环压向缸壁增强密封。背隙过小会导致环背压力不足，密封性能下降；背隙过大则增加环的径向移动量，加剧环与环槽的冲击。推荐值为 0.5 \sim 1.0 mm。
（3）侧隙。侧隙为活塞环端面与环槽上下侧面之间的轴向间隙，作用是容纳环的热膨胀并保证环能在环槽内自由转动。侧隙过小会导致环卡滞，侧隙过大会加剧泵油效应和漏气。第一道气环侧隙通常为 0.05 \sim 0.10 mm，第二、三道环为 0.03 \sim 0.07 mm。
4. 活塞环开口错位安装原则
活塞环安装时各环开口必须按一定角度相互错开，以形成迷宫密封路径，有效减少漏气通道，同时防止各环开口重叠导致机油上窜。标准安装要求为：各活塞环开口不得对准活塞销轴线方向（因该处活塞侧向推力最大），第一道环开口与第二道环开口应相隔 180°，第二道与第三道相隔 90°，油环衬环开口与刮片环开口相隔 180°。安装后，活塞环应能在环槽内自由转动，无卡滞现象。
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图5 柴油机活塞环变化曲线 |
图6 活塞环高度和开口间隙关系曲线 |
总结： 活塞环是一种安装在活塞上的环形零件，其作用是密封活塞与气缸之间的间隙，防止燃烧室内的燃气和润滑油进入活塞与气缸之间，同时还能防止气缸内的压缩空气和爆炸产生的高温燃气泄漏到曲轴箱中。康明斯柴油发电机采用三道气环和一道油环的典型配置，其中第一道气环为可锻铸铁制成的筒面梯形环，外圈呈凸圆弧形并镀铬，可在活塞上下行时均形成楔形油膜；第二、三道气环为球墨铸铁制成的锥面扭曲环，外表面带2°锥角，工作时扭曲形成线接触，兼顾密封与刮油；第四道油环为合金铸铁制成的螺旋弹簧胀圈油环或钢带组合式油环，通过衬环波形结构的弹性形变将刮片环紧抵气缸壁，实现高效的刮油与回油。综上所述，活塞环作为一种精密密封件，在柴油机中起着密封和导热作用——密封性能能够减少气缸和活塞之间的泄漏，提高发动机的压缩比；导热作用能够减少活塞的热负荷，降低温度和摩擦；同时还能够保护活塞和气缸壁，延长发动机的寿命。掌握活塞环的类别特征、断面设计原则和结构尺寸确定方法，是进行活塞环正确选型、故障诊断与维修更换的技术基础。
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