活塞环的优化设计与研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.01MB 67 页 15积分
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摘 要
活塞环是内燃机最关键的零件之一，这是由它应起到密封、润滑、导热、定
位这四个方面的作用所决定的。因此活塞环设计的是否合理，加工质量的好坏直
接影响到内燃机的性能及其技术经济指标。
径向压力分布函数是设计与计算活塞环的自由状态型线的基础与出发点。在
本文中，除了论述常见的由余弦函数构成的压力分布函数外，还论述了非余弦函
数构成的压力分布函数，可把著名的 Arnold 公式概括在内。
根据所选择的活塞环径向压力分布函数，本文采用 Maxwell-Mohr 定理的推广
形式求解活塞环自由状态型线。它综合考虑了弯矩、法向力和切力的全部影响，
较之仅考虑弯矩作用的求解高阶常微分方程的方法，计算结果更精确，且计算过
程更为格式化。
在已知了活塞环型线的基础上，通过运动关系求出靠模凸轮的理论轮廓曲线，
然后利用公式求出其以滚子半径为圆的内包络曲线，此曲线就是靠模凸轮的实际
轮廓曲线。本文中，在分析了刀架平移时的正、反靠模凸轮型线的同时，重点分
析了刀架摆动时的正、反靠模凸轮型线的设计与计算。
最后，本文采用可视化开发软件 VB6.0 编制一套计算活塞环自由状态型线以
及靠模凸轮型线的专用程序，避免了复杂的手工计算过程，而且对数据的处理更
精确。同时该程序具有良好的用户界面以及直观的数据图形显示,便于实际应用。
关键词：活塞环 径向压力分布函数 自由型线 VB
ABSTRACT
As one of utmost important parts of combustion engine, piston ring plays a big
role for seal, lubrication, heat-conduction and orientation. So the reasonability of the
design for piston ring and the work quantity of it influence the property of the internal
combustion engine and the technical economy index of it.
The radial pressure distribution is the designing prerequisite for contour of piston
ring. Not only the cosine polynomial function but also the non-cosine polynomial
function which including the famous Arnold formula are analyzed.
On the basis of the selected distribution of piston ring’s radial pressure, we can
explain the free lines of piston ring by using generalized Maxwell-Mohr theorem.
Considering all the factors affecting deflection, including bending moment, normal
force, and shearing force, the approach is superior to traditional one which takes the
bending moment into account only. Furthermore the outcome of its is more precision
and the process of its is more format.
On the foundation of the known outside mould line of the piston ring, the theory
outline curve (medium-sized line of profiling cam) of the profiling cam which is
contacted by the pinnacle of the moving-pole is analyzed through the sports processed.
Then the interior envelop line (namely interior mould line of profiling cam) is done
also through formulas, and this curve is the real outline curve of profiling cam.
Finally, the special program for designing contour of piston ring and profiling
cam is done with the well-known development software of Visual Basic6.0, which not
only cuts down the work of manually computing but also improves the preciseness of
processed data. In addition, the program supplies so friendly interface and visual
graphs that it can be used for practical application.
Key Words: Piston Ring, Radial Pressure Distribution, Freedom
Curve, VB
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
§1.1 课题背景及意义 ........................................................................................... 1
§1.2 简述该领域目前的国内外先进水平 ............................................................. 3
§1.3 课题的主要内容及关键技术 ........................................................................ 4
§1.3.1 课题主要内容及实施方案 ................................................................... 4
§1.3.2 课题主要关键技术............................................................................... 6
第二章 活塞环径向压力分布函数表达式的分析 ...................................................... 7
§2.1 活塞环径向压力的性质与分布 ..................................................................... 7
§2.1.1 活塞环径向压力的性质 ....................................................................... 7
§2.1.2 径向压力的分布 .................................................................................. 7
§2.2 径向压力分布函数的设计条件 ..................................................................... 8
§2.3 仅由余弦函数构成的径向压力分布函数表达式的分析 ............................ 11
§2.3.1 常用余弦函数表达式的分析 ............................................................. 11
§2.3.2 几种简单余弦函数表达式的分析 ..................................................... 13
§2.3.3 总结 .................................................................................................... 20
§2.4 非仅余弦函数构成的径向压力分布函数表达式的分析 ............................ 21
§2.4.1 非仅余弦函数一般表达式的分析 ..................................................... 21
§2.4.2 几种非仅余弦函数表达式的分析 ..................................................... 23
§2.4.3 Arnold 径向压力分布函数表达式的分析 .......................................... 34
§2.4.4 结论 ................................................................................................... 36
第三章 Maxwell-Mohr 定理的推广及在计算活塞环型线上的应用 ....................... 37
§3.1 求解活塞环型线的一般方法 ....................................................................... 37
§3.2 Maxwell－Mohr 定理的特点及其推广 ....................................................... 38
§3.3 Maxwell－Mohr 定理在径向压力分布分析中的应用 ................................ 41
第四章 活塞环内、外型线的计算 ........................................................................... 43
§4.1 计算活塞环内、外型线惯用的公式 ........................................................... 43
§4.2 极坐标中活塞环外、内型线的计算 ........................................................... 44
§4.3 对应于非余弦径向压力分布的活塞环内、外型线的计算公式 ................. 45
第五章 活塞环正、反靠模凸轮型线 ....................................................................... 47
§5.1 靠模凸轮理论型线的计算........................................................................... 47
§5.1.1 刀架平移时靠模凸轮的计算 ............................................................. 47
§5.1.2 刀架摆动时靠模凸轮的计算 ............................................................. 49
§5.2 靠模凸轮实际型线的计算........................................................................... 52
第六章 活塞环计算程序 ........................................................................................... 55
§6.1 活塞环计算程序的设计要求 ....................................................................... 55
§6.2 数值插值计算 .............................................................................................. 55
§6.2.1 抛物线插值法的公式 ......................................................................... 55
§6.2.2 抛物线插值法的应用 ......................................................................... 56
§6.3 程序的构成 .................................................................................................. 56
§6.3.1 登陆界面 ............................................................................................ 56
§6.3.2 程序封面 ............................................................................................ 57
§6.3.3 设计计算部分 .................................................................................... 57
第七章 总结与展望 .................................................................................................. 60
参考文献 .................................................................................................................... 61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .......................................... 64
致 谢 .......................................................................................................................... 65
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景及意义
活塞环是一种结构简单、带有开口，自由状态下为非正圆的环状零件，在内
燃机中起着密封、控油、导热和支承等重要作用。且其是一种具有弹性的金属件，
在向外扩张时可以较大变形，工作时可被压缩为近似圆，并嵌套入气缸内与之相
对应的环形槽内，在气缸内作周向旋转运动和轴向往复运动[1]。活塞环是内燃机
的重要零件之一，同时也是内燃机最易损坏的一种零件，因此，活塞环的制造水
平对内燃机工作的可靠性和耐久性等方面具有重要的影响。
首先，介绍一下活塞环的几个主要作用，可以归纳为以下几个方面：
1、密封性
活塞环是内燃机的核心部件，位于活塞与气缸壁之间，其首要作用是使缸体
与活塞之间的间隙保持密封性，避免燃烧室的气体流出，保证缸压，控制气体泄
漏量，使其保持在最低限度。在环的工作过程中，若其密封性能不佳，则将导致
燃气通过缸体与活塞之间的间隙大量流出并流向曲轴箱，同时由于泄漏会引起压
缩不足，从而使内燃机得不到既定的压缩压力，降低热效率，同时导致有效功率
降低，发动机的动力下降，增大了油耗。与此同时，在作功过程中，密封不良不
仅会影响内燃机的动力，还会使机油变质，并且严重时会致使活塞环断裂，造成
咬缸等现象，同时漏气也会导致其他很多严重现象，包括活塞异常膨胀、变形、
胶结等[2]。综上所述，活塞环的密封作用是非常重要的，并且是其首要作用，只
有保证了其气密性，才能使其他作用得到充分发挥。
2、控油性
活塞环在高负荷、高温条件下在气缸内作往复运动，并且沿气缸壁运动，因
此为确保环能够持久、稳定工作，充分发挥其性能，必须使气缸壁上具有一定的
润滑油膜。若工作过程中气缸壁上无油膜或油膜不完整，遭到破坏，那么活塞和
气缸壁之间就会发生干摩擦，可能造成拉缸，并产生磨损，并且此时的磨损为熔
着磨损，破坏较大[3]。但是，缸壁上的油膜厚度应保持适量，不应过厚，过厚时，
多余的机油将被吸到燃烧室，造成燃油消耗量增大，使缸壁和燃烧室内的积碳增
多，并且不利于环保，增大了有害气体的排放。因此在机油消耗量控制和调节油
膜厚度方面，活塞环发挥了重要的作用，提高了内燃机的性能。
活塞环的优化设计与研究
2
3、导热性
环的导热性又称为散热性，主要是通过把活塞顶所吸收的热量通过环与环槽
的接触面传给环，通过环与气缸的接触面将热量传给气缸及冷却水来实现的，对
于不加特殊冷却措施的非冷却活塞来说，活塞所受的热量大部分是由活塞环传递
出去的，大约占 70%左右[4]。
4、支承性
由于活塞直径相对于气缸内径来说略小，若活塞环不存在，则活塞就不能在
气缸内稳定地运动，可能会产生撞击等现象，同时环的存在还避免了活塞与气缸
壁直接接触，这样就减少了磨损，同时起到了支承的作用。因此，活塞在气缸内
作往复运动时，其滑动面的支承全部由活塞环来完成。
因此，在发动机的零件中，活塞环设计的合理性，自身品质的好坏对内燃机
的工作性能包括其功率、油耗、噪声、缸体的使用寿命等方面有直接影响。
活塞环使用的一百多年以来，在活塞环的设计发展过程中，有几种传统的的
设计理论, 然而这些理论在活塞环的设计制造过程中都存在一些问题，并且这些
问题都不同程度地影响着理论的适用性：这些问题主要包括以下几点：(1)误差问
题, 结构形式尽量简单，是所有理论的基本条件，因此在传统的几种著名理论中,
都包括了简化处理的过程并得到了相应的最佳表达式形式,但是在简化过程中，都
不可避免地产生了一定的误差,然而关于误差，这几种理论均未进行必要的分析及
实例估算，因此在其使用过程中，都存在一些相应的问题；(2)影响表达式地除了
其形式及相关地参数之外，坐标表达式也同样影响着表达式的分析及计算，但是
这几种传统理论，都在不同的坐标下表达其计算公式，如阿诺尔德在直角坐标下
表达其公式,普雷斯特使用了极坐标,这些都在一定程度上限制了其通用性及应
用；(3)这几种理论虽然都有相应地径向压力分布表达式形式，但是各自的形式不
一，没有通用性，为其推广及使用造成了局限性；(4)每种方法虽然都有其优势，
但是计算过程都非常繁琐,在阿氏公式中，其给出的 x、y坐标表达式的函数项高
达200 多项,除此之外，普氏给出的公式形式也相当繁复,金氏方法则需要进行大
量的计算；(5)这几种传统理论设计方法所给出的值，在凸轮的制作过程中, 并不
适用[5]。
活塞环行业的发展与现代内燃机的发展密不可分，是汽车工业等相关领域的
发展的基石。因此，对活塞环设计方面的研究，包括对其径向压力分布，自由状
态型线，及其靠模凸轮的设计等方面的研究对于提高内燃机的性能及推动现代工
业的发展具有重要意义。
第一章 绪 论
3
§1.2 简述该领域目前的国内外先进水平
目前，我国内燃机年产量已突破 7000 万台，活塞环是其应用的关键零件之一。
因此，与现代内燃机的性能及发展息息相关，其性能的好坏、加工质量的优劣也
逐渐受到人们的关注，随着汽车工业等相关产业的迅速发展，其对内燃机的影响
也越来越多地受到人们的重视，经常被作为研究的课题[6]。在现代活塞环的设计
制造过程中，除了保证其基本作用包括密封，散热等以外，为了优化活塞环的性
能，在其设计过程中，还要分析及研究关于活塞环径向压力分布在其工作过程中
对其产生的影响。在活塞环工业的发展过程中，其制造方法也经历了数次的改革
与创新，最初制造活塞环的方法为古典的同心圆制造法，后来发展为锤击法，在
现代的活塞环制造过程中则采用靠模仿形车削法，这种制造方法的优点是内外圆
能够同时进行车削，使用这种制造方法，在制作靠模时，首先要规定活塞环周所
要求的接触压力分布，在此基础上就可以计算出活塞环处于自由状态时的形状曲
线，然后根据所使用车床的杠杆机构，并依据计算出的活塞环的形状曲线就可得
到靠模的理论型线[7]。因此，活塞环设计的首要工作为计算其自由状态型线，其
决定了环工作时的径向压力分布、密封性和使用寿命等，且活塞环的自由状态型
线是由很多因素共同影响的，包括其材质、截面形状等，需进行大量且深入的研
究。
在活塞环的应用过程中, 人们认识到其自由状态形状曲线是活塞环设计制造
的基础，对环的使用性能有重要的影响[8]，因此，针对活塞环自由状态曲线及其
相关问题的研究，引起了国内外工业界的重视,并且为了解决这些问题进行了大量
的研究工作。从本世纪初，人们就开始了探索，并取得了一些重要的成果[9]。最
初在这方面取得成果的是俄国的 K.莱恩加尔特，其早在 1901 年就确定了等压环
的自由状态曲线,并且这种理论是建立在直角坐标系中，为以后的研究工作做出来
重要的贡献[10]；为了计算等压环自由状态时的形状曲线的，英国的普雷斯科特
(Prescott)在1942 年提出来了另一种著名的理论，就是利用直梁弯曲理论在极坐标
系内求解，但是其理论在分析过程中，采用了过多的近似简约化处理，在精度上
存在相当大的误差，因此求出的只是活塞环的近似形状曲线；为了克服误差问题，
阿诺德摒弃了普氏的两个简约公式，在 1949 年提出了一种以直角坐标系为参考系
的活塞环曲线的计算法，并且此方法分别以 X、Y坐标计算出活塞环的理论形状。
随着技术的发展，人们在 H.Anold 的计算方法的基础上不断的改进与发展，形成
了现在的活塞环理论的计算方法[11]。
活塞环虽然结构简单，但是在其设计制造过程中，却涉及到很多方面的问题。
摘要：

摘要活塞环是内燃机最关键的零件之一，这是由它应起到密封、润滑、导热、定位这四个方面的作用所决定的。因此活塞环设计的是否合理，加工质量的好坏直接影响到内燃机的性能及其技术经济指标。径向压力分布函数是设计与计算活塞环的自由状态型线的基础与出发点。在本文中，除了论述常见的由余弦函数构成的压力分布函数外，还论述了非余弦函数构成的压力分布函数，可把著名的Arnold公式概括在内。根据所选择的活塞环径向压力分布函数，本文采用Maxwell-Mohr定理的推广形式求解活塞环自由状态型线。它综合考虑了弯矩、法向力和切力的全部影响，较之仅考虑弯矩作用的求解高阶常微分方程的方法，计算结果更精确，且计算过程更为格式...

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