CN103835832A - 一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环，该活塞环沿圆周方向宽度不同，表现为沿圆周方向具有若干个宽度大的区段和宽度小的区段，宽度大的区段和宽度小的区段依次连接，构成具有多个谐次的宽度变化的活塞环。与现有技术相比，本发明结合宽环和窄环的优点，使得活塞环既能够实现追随缸套的变形，又能在缸套三谐次或四谐次周向变形的接触区也具有相应的强度和刚度，以抵抗所承载的负荷及抵抗增大的摩擦力，这样的活塞环既能够跟随气缸变形降低燃气泄露，又不会由于强度不够而出现折断，通过这样引入追随变形的思路，减少活塞环与真实工作状态下的缸套之间的间隙，提高密封性能。

Description

一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环

技术领域

本发明涉及一种活塞环，尤其是涉及一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环。属于车辆及动力的零部件，应用于汽车、机车、轮船等领域

背景技术

活塞活塞环及缸套都是内燃机的核心部件，活塞环是一均匀矩形截面的环体，活塞环在汽缸内，由于弹力向外紧靠在圆形的汽缸内壁上，活塞环外表面和汽缸内表面的配合，其作用是可以对燃烧室的燃气6实现密封。理想状态下，在内燃机汽缸内，沿活塞环3整个圆周上，其外表面和汽缸5内表面完成理想的摩擦与润滑状态下的密封配合，如图1所示。

活塞环3位于活塞4的环槽内，随活塞4往复运动，与汽缸5内表面具有摩擦，同时两摩擦表面也有润滑，在内燃机的四冲程往复运动中，借助于两摩擦表面的配合及形成的密封，理想状态下，燃气就不能从两配合表面之间泄露。

然而在真实的内燃机工作状态下，由于缸套缸盖装配预应力、工作高温热负荷、摩擦力、机械负荷等许多作用力，缸套存在失圆现象，从而破坏了两配合表面之间的密封。这种失圆现象严重影响着整机的动力性、经济性、环保性和可靠性。有许多科研对缸套失圆问题进行分析和研究，希望对缸套失圆问题有进一步的了解，更希望了解由于缸套的失圆变形引起的缸内燃气泄露和润滑油的窜油。

由于内燃机结构复杂，缸套失圆问题的分析难度也比较大，也严重阻碍了人们对内燃机缸套失圆形成机理的了解。长久以来，如何有效减轻内燃机缸套失圆及其带来的负面影响，一直是困扰内燃机工作者的重要课题。许多研究只能计算机械负荷和热负荷作用下的缸体变形和缸套失圆；在部分程度上进行一定的试验验证计算结果，包括也有计算或研究活塞环与缸套之间油膜厚度变化及其对机油耗的影响。

由于国内外很多科研及工业界对于缸套失圆的重视，在人们大量的研究和测量之后，通过统计并进行数学描述，将缸套失圆归纳为了可以用数学描述的二谐次、三谐次、至六谐次失圆变形，并且知道了所发生最多的失圆变形方式为三谐次和四谐次变形。

内燃机是一种广泛使用的动力机械，在社会经济发展中起着相当重要的作用。而且，近些年来，随着应用中的内燃机功率的提高，在气缸系统的强化程度和热负荷上也有大幅度增加，缸套失圆会更加显著，而由于更加严格的低排放、低能耗和高可靠性等近乎苛刻的社会要求，内燃机的设计工作面临着越来越严峻的挑战。

活塞环在汽缸内承受着相当复杂的负荷，有燃气压力、四冲程往复行程中与缸套表面的摩擦力、缸套对活塞环向外弹力的支反力，以及通过活塞环向缸套的热传导及热负荷作用等。所以，活塞环设计中，沿活塞环径向的尺寸，即活塞环的宽度尺寸，需要保证一定的数值，只有较宽的活塞环，才能具有一定的强度，承受复杂的作用力。

早期的宽度较大的活塞环，具有良好的结构强度，但也由于其较大的刚度，在缸套发生失圆的情况下，即使环背处承受着较大的燃气压力，活塞环也不会发生跟随气缸的变形，这样就使得环面与缸套表面之间出现了较大的间隙，从而产生燃气泄露。

宽活塞环7在缸套三谐次或四谐次周向变形情况下的密封及接触状况如下图2和图3所示，内侧为宽活塞环7的形状，外侧为处于失圆情况下的缸套。

在图所示的缸套变形位置：虽然宽活塞环7的背面有燃气压力作用，且环还在高温负荷状态下，而环的摩擦面已不再有缸套摩擦面给以支持，热负荷与燃气压力仍然难以使得宽环发生跟随变形。

实际上，在宽活塞环7的背面，沿整个圆周方向都有燃气压力作用，上图中只画出了缸套变形生成空隙位置的活塞环背燃气作用力。宽活塞环7与未发生变形位置的缸套仍然保持接触，因此也能够得到缸套表面的支撑力，但也因此而承受增大了的摩擦力。

因为缸套发生变形后，原本由整个圆周承担的摩擦力，留给现在只剩下的三个或四个接触区域承担，显然，使得接触区摩擦力会增大，摩擦状况会有恶化。

由于宽环具有高的刚度和强度，在这间隔的接触区域也有能力承担增大了的负荷与摩擦力，但由于宽环不能补偿在缸套变形位置出现的空隙，也就不能降低燃气泄漏以及润滑油的窜油。

后来出现的宽度较小的活塞环，具有较小的刚度，具有相应的柔性。气缸内的活塞环还承受热负荷的作用，环背还有燃气高压作用，在缸套发生失圆的情况下，在缸套的变形增大处，缸套表面已不再对活塞环面有任何支撑。活塞环可以随着缸套的变形而发生一定的变形，能够使得环面与缸套表面之间的间隙得到相应的减小，由此使得燃气泄露得以减轻。

窄活塞环8在缸套三谐次或四谐次周向变形情况下的密封及接触状况如下图4和图5所示，外侧同样为处于失圆情况下的缸套。

实际上，在窄活塞环8的背面，也是沿整个圆周方向都有燃气压力作用，图中只画出了缸套变形生成空隙位置的活塞环背燃气作用力。窄活塞环8与未发生变形位置的缸套仍然保持接触，因此也能够得到缸套表面的支撑力，但也因此而承受增大了的摩擦力。

因为缸套发生变形后，原本由整个圆周承担的摩擦力，留给现在只剩下的有限个接触区域承担，显然，使得接触区摩擦力会增大，摩擦状况会有恶化。

由于窄环难以具有高的刚度和强度，在这几个接触区域没有能力承担增大了的负荷与摩擦力，活塞环容易出现折断。

缸套失圆也是内燃机设计工作所遇到的困难，它直接影响燃烧室的密闭性及活塞-活塞环-缸套系统的摩擦润滑性能，对燃烧效率的降低、机油耗的增加、排气中颗粒物的产生等起着举足轻重的作用。因此，如果从设计角度进行改进或新式设计，减少由于缸套失圆带来的燃气泄露，提高内燃机的燃烧能力利用效率和动力性能，不仅具有重要的经济意义，也有显著的环保意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以抵抗增大的摩擦力及其他负荷的多谐次周向变宽度追随变形活塞环。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环。活塞环安装在汽缸内的活塞环槽中，在内燃机的初始工作状态下，活塞环是依靠其向外的弹力，紧靠在还未发生失圆变形的缸套内壁上。该活塞环包括宽环区及窄环区，所述的宽环区与窄环区依次连接，构成宽度随谐次变化的活塞环，宽环区与窄环区呈圆弧状平滑过渡连接。

对于宽度具有三谐次变化波幅的活塞环，沿活塞环圆周方向，窄环区设有三个，宽环区设有三个，其中一个宽环区含有活塞环的开口。

所述的宽环区、窄环区均匀分布在活塞环上，窄环区与宽环区依次连接。

对于宽度具有四谐次变化波幅的活塞环，沿活塞环圆周方向，窄环区设有四个，宽环区设有四个，其中一个宽环区含有活塞环的开口。

所述的宽环区、窄环区均匀分布在活塞环上，窄环区与宽环区依次连接。

与现有技术相比，本发明结合宽环和窄环的优点，当活塞环应用于具有三谐次或四谐次周向变形缸套时，既能够实现其窄环区追随缸套的变形，降低燃气泄露，又能实现其宽环区抵抗增大的摩擦力，不至于出现折断，通过这样引入追随变形的思路，减少活塞环与发生失圆变形的缸套之间的间隙，加强密封性能。

附图说明

图1为活塞环安装在环槽中以及在理想情况下的密封示意图；

图2为宽活塞环在气缸套发生三谐次周向变形情况的示意图；

图3为宽活塞环在气缸套发生四谐次周向变形情况的示意图；

图4为窄活塞环在气缸套发生三谐次周向变形情况的示意图；

图5为窄活塞环在气缸套发生四谐次周向变形情况的示意图；

图6为实施例1中本发明的结构示意图；

图7为实施例1中本发明在气缸套发生失圆时能够跟随变形的情况图；

图8为实施例2中本发明的结构示意图；

图9为实施例2中本发明在气缸套发生失圆时能够跟随变形的情况图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。图号需要重新排

实施例1

一种三谐次周向变宽度追随变形活塞环，用于安装在汽缸内的活塞环槽中，其结构如图6所示，该活塞环包括宽环区1及窄环区2，其中窄环区2设有三个，宽环区1设有三个，其中一个宽环区含有活塞环开口。宽环区1与窄环区2均匀分布在活塞环上，依次平滑过渡连接。

为了使得活塞环既能够实现追随缸套的变形，又能在缸套三谐次周向变形的接触区也具有相应的强度和刚度，以抵抗增大的摩擦力，不至于出现折断，结合宽环和窄环的优点，本申请给出了沿圆周周长方向具有宽度周期变化、宽度具有三谐次变化波幅的活塞环，缸套形成失圆状态的形状如图7所示，外侧为失圆状态的缸套。由于变宽环在窄环区段具有相应的柔性，可以随着缸套的变形而发生一定的变形。且在宽环区段具有高的刚度和强度，在三个接触区域有能力承担增大了的摩擦力。

活塞环的制造，仍可依照现有的制造工艺，把具有一定长度的圆筒毛坯，加工达到符合设计要求的外圆、内圆及表面粗糙度等尺寸参数，再进行切片成环形。在现代先进的加工制造装备手段下，可以很方便地采用内铣、内圆磨等多种设备对活塞环内圆实现进一步的精密加工。

实施例2

一种三谐次周向变宽度追随变形活塞环，用于安装在汽缸内的活塞环槽中，其结构如图8所示，该活塞环包括宽环区1及窄环区2，其中窄环区2设有四个，宽环区1设有四个，其中一个宽环区含有活塞环开口。宽环区1与窄环区2均匀分布在活塞环上，依次平滑过渡连接。

为了使得活塞环既能够实现追随缸套的变形，又能在缸套四谐次周向变形的接触区也具有相应的强度和刚度，以抵抗增大的摩擦力，不至于出现折断，结合宽环和窄环的优点，本申请给出了沿圆周周长方向具有宽度周期变化、宽度具有四谐次变化波幅的活塞环，缸套形成失圆状态的形状如图9所示，外侧为失圆状态的缸套。由于变宽环在窄环区段具有相应的柔性，可以随着缸套的变形而发生一定的变形。且在宽环区段具有高的刚度和强度，在四个接触区域有能力承担增大了的摩擦力。

活塞环的制造，仍可依照现有的制造工艺，把具有一定长度的圆筒毛坯，加工达到符合设计要求的外圆、内圆及表面粗糙度等尺寸参数，再进行切片成环形。在现代先进的加工制造装备手段下，可以很方便地采用内铣、内圆磨等多种设备对活塞环内圆实现进一步的精密加工。

Claims (5)

1.一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环，用于安装在汽缸内的活塞上，其特征在于，

该活塞环包括宽环区及窄环区，所述的宽环区与窄环区依次连接构成宽度随谐次变化的活塞环，宽环区与窄环区呈圆弧状平滑过渡连接。

2.根据权利要求1所述的一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环，其特征在于，所述的窄环区设有三个，所述的宽环区设有三个，其中一个宽环区含有活塞环的开口，窄环区与宽环区依次连接，该活塞环为宽度具有三谐次变化波幅的活塞环。

3.根据权利要求2所述的一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环，其特征在于，所述的窄环区均匀分布在活塞环上。

4.根据权利要求1所述的一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环，其特征在于，所述的窄环区设有四个，所述的宽环区设有四个，其中一个宽环区含有活塞环的开口，窄环区与宽环区依次连接，该活塞环为宽度具有四谐次变化波幅的活塞环。

5.根据权利要求4所述的一种多谐次周向变宽度追随变形活塞环，其特征在于，所述的窄环区均匀分布在活塞环上。

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