活塞环性能要求

  随着摩托车发动机向轻量化、高速化的方向发展，活塞环的运动速度越来越快，因此，对活塞环材质、性能提出了更高的要求。根据发动机的不同结构和用途，活塞环材料的性能要求通常有：① 耐磨性；② 贮油性；③ 硬度；④ 耐蚀性；⑤ 强韧性；⑥耐热性；⑦ 弹性等。其中耐磨性和弹性，是作为活塞环材料的最重要的性能。
1.耐磨性
  磨损现象是在运动物体的摩擦部分产生的。由于它受摩擦面的材质、相配合材料的组合、运动条件、摩擦面上有无介质、或周围气氛等因素的影响；而呈现出种种复杂的现象，其磨损现象具有下述特殊性：
（1）活塞环和与其相配合的气缸壁之间运动方向和速度在不断变化。尤其是压缩环，由于有作为背压而作用在其上的气体压力，摩擦压力不断变化，使磨损现象复杂化
（2）活塞环处于燃烧气体的高温作用之下。必须考虑到，在上止点附近机油供应不足，或者因气体压力使活塞环接触压力超过临界摩擦压力而导致干摩擦的情况。
（3）不仅滑动面有磨损问题，活塞环槽和活塞环之间也有磨损问题。这种磨损称为敲击磨损，主要是由于活塞环 在环槽内激烈地上下运动而引起的。
（4）对于活塞环来说一般都不希望有磨损现象，往往认为活塞环的磨损越少越好。但是实际上，活塞环的磨损，在某一方面，还是活塞环的性能上所必需的现象。换言之，一点也不磨损的活塞环反而不行。之所以有这样的特殊要求，是由于为加速新装活塞环的初期磨合，就要寻求就初期磨合而言容易磨损的活塞环。就是说，作为活塞环的材质，既要易于磨合，又要在长期运转之下不易磨损，乍一看要求是互相矛盾的，但是作为活塞环的材料必须具有这样的性质，这正是活塞环材质选择的难点之所在。
（5）我们称内燃机装配后的初期运转为磨合运转。一般来说，新装发动机的缸筒无论怎样注意加工为正圆形，总难免有加工误差。另外，在运转时，因受热而变形。新装活塞环和气缸之间总难免会产生漏气现象，需要通过磨合来消除上述间隙。由于活塞环是具有开口的弹簧，因此它能在一定程度上适应气缸的变形。但如气缸变形超过限度，则它就不能适应了。由于初期磨合的缘故，活塞环和气缸表面同时产生一些磨损现象。此时气缸不是正圆形，靠活塞环单方面的磨损，就难以与相配的气缸相适应。也就是说，在活塞环磨损的同时，气缸如也尽快地成为正圆形，便形成气密。因此从初期磨合这点出发，不希望气缸的硬度过高。磨合性磨损是在较短的时间内进行的。这是因为没有磨合的发动机漏气很严重，它破坏了油膜，进行半干摩擦的缘故。另外，活塞环滑动面做得粗糙些容易磨损或做成锥形，也利于初期磨合。
2.贮油性
  通常在滑动摩擦的情况下，如果在两种摩擦金属之间进行充分的润滑则几乎不会引起金属的磨损，但发动机在运转过程中会有油膜被局部破坏，尤其是靠近燃烧室的头道压缩环，由于受高温气体的影响，机油因受热而粘度降低，油膜极易被破坏。另外，因背压造成活塞环接触压力增大，同样也易于破坏油膜。所以在上止点附近的磨损在某种程度上是无法避免的。这样，由于环的磨损决定于润滑状态，所以机油性能如何对磨损有很大的影响。机油的选择随发动机的转速、负荷以及燃料等因素而异。一般粘度越大活塞环和缸套的磨损就越小。据国外科研资料介绍，在小型单缸发动机上利用工作着的缸套和活塞环间的电阻来测量滑动面上的润滑状态。即电阻大意味着和活塞环完全被油膜分隔开；反之，电阻小表示缸套和活塞环之间有金属或存在着边界润滑状态。这样获得的实验结果可归纳如下：  
  ① 随着摩擦速度的增加，机油油膜的破坏减少；② 每一循环中的速度变化相对应，电阻从零连续变到无限大。特别是在上下止点处，很明显出现油膜破裂；③如油温升高，则油膜破裂显著。这是由于温度升高，油的粘度降低而易于引起边界润滑油膜破裂的缘故。
3.硬度
  当活塞环和气缸壁滑动面之间夹有杂质时，这种杂质就正好起研磨剂那样的作用，刮伤了两者的滑动面，因而加剧磨损。这些杂质有在发动机装配、拆开修理时混进的灰尘，也有在行驶过程时从吸入的空气中混进的细微灰尘，还有因不完全燃烧所产生的积炭，因机油变质而产生的氧化物，以及因磨损产生的金属粉末等。利用机油滤清器和空气滤清器虽是一个常用的措施，但不能完全、彻底清除这些杂质。因此为了减少磨料磨损，可以提高材料的硬度，还有对活塞环镀铬。提高活塞环的硬度，除能减轻磨料磨损外，并能减轻因环在环槽中敲击所产生的端面磨损。活塞环的硬度如低，由于敲击使活塞环的高度减薄，活塞环槽侧间隙增大，以致使环在环槽中作更加激烈的上下运动而引起各种故障。
4.耐蚀性
  当活塞环要长期保存时，可对活塞环进行磷化、氧化等表面处理以防生锈。但对于已经装在发动机中的活塞环来说，除特殊用途外不考虑耐蚀问题。但是要注意气缸内的温度问题。如果温度始终高于露点（气缸内的露点温度一般在100C°左右），就不会产生亚硫酸。可见腐蚀性磨损主要是在气缸温度较低的低负荷下或停车时在气缸中所残留的亚硫酸所引起的。
5.强韧性
当活塞环装到活塞上去时，将环的开口张大。此外，当将活塞装入气缸使用时，在活塞环的开口对侧处将受到很大的应力。如果活塞环的材料强度承受不了上述的应力，活塞环就将折断。最近内燃机为提高功率而提高了转速，从而易于引起活塞环的颤振动或振动。为此，要求环的材料具有较高的耐疲劳强度，尤其是最近活塞环倾向于减小高度而增加厚度以提高环的弹力，环的折断就更成问题了。
6.耐热性
  活塞环受着以燃料燃烧所产生的高温气体的作用，特别是第一道压缩环易受热的影响。高温对活塞环的影响首先表现为弹力下降。测量活塞环耐热性的方法为：就是将活塞环装到环规（或相同直径的气缸）中，在350±10℃下恒温1小时，然后在气缸中自然冷却到室温，取出活塞环，测量加热前后的弹力，再将加热前后的弹力之差除以加热前的弹力，用所得的百分比表示活塞环的耐热性。按内燃机的有关标准，直径小于100毫米的活塞环,其弹力保持系数δ≥95%；将组合油环装到环规（或相同直径的气缸）中，在220±10℃下恒温5小时，然后在气缸中自然冷却到室温。取出后，测量加热前后的弹力，其弹力保持系数耐热钢环δ≥85%，非耐热钢环δ≥70%。
7.弹性
  活塞环依靠本身的弹力起着气密等作用，因此活塞环材料的弹性是活塞环最重要的基本性质。如果从活塞环的设计要求出发，活塞环的材料要根据环的尺寸和形状的不同在8000～22000公斤/毫米2的范围内适当地选择适当大小的弹性磨量。与此同时，要求在一定应力范围内活塞环要近于完全弹性体，即变形和应力必须呈直线关系且弹性极限要很高。摩托车使用的活塞环材料大致分类如下：（1）灰铸铁；（2）球墨铸铁；（3）合金铸铁；（4）球光体可锻铸铁。