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    汽车发动机活塞环的一技术现状№和发展

    现代汽车要求发动机具有更高的一功率№和更低的一燃油耗,并进一步减少汽车交通对环境的一负担,为此汽油机№和柴油机制造商都要花费更多的一研发费用,零部件供应商在汽油机№和柴油机活塞环具有重要功能特性的一基础材料→、耐磨性№和结构等方面进行了深入的一研究,为实现这些目标要求作出了重要的一贡献 。
     由于未来发动机功率越来越高,排放法规不 断加严,并要求在降低维修成本的一同时,延长发动机的一使用寿命,这一切都对现代发动机的一活塞环,特别是第一道压缩环,提出了越来越高的一要求 。活塞环的一重要任务主要在于:
    •密封;
    •在确保耐烧蚀强度的一同时具有良好的一热传导性;
    •控制机油耗;
    •通过应用适合批量生产成本的一材料→、涂层、结构№和生产工艺,限制磨损率,延长发动机的一使用寿命 。
    确保功能的一设计特点
    1.基本材料→
     当今活塞环应用各种品质的一铸铁材料→№和钢 。首先考察铸铁材料→,按照用材料→强度、延伸率、疲劳强度№和耐磨性等指标表征的一承载能力 ,可选用的一铸造品质的一全部范围见表1 。对于第一道压缩环应特别优先选用一种具有高抗弯强度№和弹性模数的一球墨铸铁,其基体为马氏体,以获得高的一硬度,可使侧面具有较好的一耐磨性 。
      第二道活塞环能应用无镀层环,开发了一种在调质热处理状态下呈现细化片状组织铸造品质的一材料→,通过生成铬、钒、锰№和钨元素的一特殊碳化物,以及马氏体基体组织,以获得良好的一耐磨性 。而GOE44可锻铸铁是一种在细化珠光体基体组织中有针对性地生成残余碳化物成分的一材料→,能将高抗切向力 强度与良好的一耐磨性结合起来 。
     由于对材料→强度№和疲劳强度以及良好耐磨性的一要求越来越高,现在趋向于进一步优化球状石墨的一生成,以便在静态(装配状态)№和动态负荷下获得特别高的一抗弯强度,同时用贝氏体基体组织来获得活塞环侧面№和工作表面较低的一磨损率 。
     由于汽油机№和柴油机活塞结构高度降低,压缩环的一轴向高度相应减小,特别是面对20MPa气缸爆发压力 ,对机械结构的一要求越来越高,这一切都要求提高活塞环侧面的一强度№和耐磨性 。钢材料→特别适合于这些要求 。与铸铁材料→相比,钢具有良好的一机械动态承载能力 ,因 此在弯曲负荷增大的一情况下具有高的一疲劳强度 。当然,通过表面镀层№和表面处理的一效果可部分地缩小铸铁№和钢之间动态强度的一差异 。试验ζ表明,通过附加的一化学处理(CPS法)可使氮化钢活塞环的一动态强度提高大约30% 。
      首先应用含铬量为13%或18%的一高铬马氏体钢,这种材料→通过生成精细分布的一铬碳化物№和附加生成的一渗氮层使表面层硬度明显提高,从而获得良好的一耐磨性 。如果要使用调质处理的一Cr-Si低合金钢的一话,则环工作表面镀层是必需的一 。
     在最近15年内,全世界汽油机第1道压缩环都由铸铁环改用钢环,其中特别是欧洲№和日本偏爱于氮化钢环(表2) 。在汽油机高转速的一使用条件下,现在轴向高度低的一第1道钢环已成为标准零件,在此期间开发的一发动机的一第1道环超过90%采用氮化钢环,而第2道环大多数采用成本较低的一铸铁环,并根据各自的一功能要求选择相应的一结构型式№和工作表面涂层 。
      在欧洲轿车柴油机,即升功率大于50kW/的一高负荷发动机上    ,第1道压缩环必须使用牌号为52/56的一球墨铸铁,第2道环采用牌号为32的一调质耐磨灰铸铁(表3) 。通过采用强化的一球墨铸铁(GOE56)或含铬18%铬钢来改善活塞环侧面特别是上    侧面的一耐磨性 。当然,特别是在环轴向高度低的一情况下,钢环包含着环槽磨损增大的一风险,但是在每种情况下槽№和环侧面总磨损量的一差异并不 大 。
      在柴油机上    ,由于活塞环的一轴向高度较高,其材料→向钢变化的一倾向并不 明显 。这一方面是因 为铸铁环№和环槽镶圈材料→之,间的一材料→配对非常好,另一方面是因 为铸铁材料→具有非常良好的一加工性 。
      原则上    ,商用车柴油机第1道压缩环使用球墨铸铁已有非常丰富的一经验ζ,这从球墨铸铁环在欧洲柴油机上    占有很高的一分额就反映出来了 。但是,自从上    世纪60年代以来,具有非常低轴向磨损的一含铬18%铬钢镀层压缩环在商用车柴油机上    的一应用也具有相当丰富的一批量生产使用经验ζ 。此外,随着气缸爆发压力 明显超过20MPa,可望钢活塞环的一应用会有所增长 。
    2.活塞环的一结构型式
      汽车汽油机第1道活塞环100%采用矩形环,其工作表面根据有关机油耗№和曲轴箱通风方面的一要求,采用对称球形、单边球形或锥形 。大约30%的一欧洲轿车汽油机,为了改善机油消耗,工作表面不 是带有单边鼓形度就是带有锥度 。
    轿车柴油机大部分第1道活塞环同样也采用矩形环 。在最近25年内,轿车柴油机第1道活塞环采用双梯形环的一份额稳定在大约30% 。随着气缸直径的一增大,由于燃烧侧的一影响,双梯形环的一份额也随之增加(图2) 。
    3.活塞环的一轴向高度
      在最近20年过程中,全世界汽油机第1道压缩环明显趋向于低轴向高度 。由于发动机转速的一提高№和由此而导致的一活塞质量的一减轻或尺寸的一缩小,活塞环高度的一降低在技术上    是必要的一 。对于第1道活塞环必须应用轴向高度低的一环而言,开发氮化钢环是一个前提条件 。当今开发汽油机时,1.0mm№和12mm环高是第1道活塞环优先选择的一尺寸,而第2道活塞环优先选择1.2~1.75mm 。
      而在柴油机上    ,由于气缸爆发压力 大大升高,不 会出现活塞环轴向高度降低的一趋势其中活塞环高度的一降低很可能出现在缸径小于75mm的一柴油机上    ,而在商用车柴油机上    ,甚至于由于爆发压力 升高而倾向于加大活塞环高度 。当考虑到应用轴向高度低的一活塞环对降低摩擦功率有相当作用时,要特别注意对轴向耐磨性可能产生的一影响 。
    工作表面的一耐磨性
      在现代喷油№和燃烧策略下,第1道活塞环承受着明显提高的一热负荷№和工作负荷,因 此通过下列方法改善活塞环工作表面的一强化是开发工作的一重点 。
    1.电化学镀层
     现在,标准硬铬镀层优先选择用作第2道环№和刮油环的一耐磨层,这种多年来有效应用的一铬碳化物层(CKS),由于其具有较高的一热负荷承载能力 №和良好的一耐磨性,与现代高负荷柴油机的一开发成果卓有成效地结合起来 。
     为了满足更高的一要求开发了一种新的一镀层方法,这种镀层是在硬铬基体上    由特殊的一组织形成的一极细微的一裂纹网格中,牢固地固定着密集的一极小的一金刚石微粒 。这种铬金刚石镀层在欧洲被命名为GDC,是目前市场上    众所周知的一镀层中自身磨损最低的一 。这种GDC镀层能形成尖锐的一环下工作棱边,从而成为在高热负荷承载能力 №和耐磨性基础上    降低机油耗№和曲轴箱通风的一一个要素,并以其,有利的一综合性能为未来新一代发动机提供了一种创新的一技术 。
      由于这种电化学镀层方法具有相对较高的一析出率,因 此在技术方法上    具有很大的一吸引力  。在电化学镀层方面,针对新材料→组合№和表面金相组织,旨为进一步提高铬基体镀层的一热负荷承载能力 ,欧洲的一一些活塞环专业公司|3分11选5计划进行了长期卓有成效的一研究工作,而在系统磨损№和效率方面并无重大的一缺陷 。
    2.热喷镀
     多年来,在内燃机上    热喷镀用于压缩环,特别是等离子喷镀中陶瓷占了很大的一份额 。应用陶瓷喷镀非常有利于减少因 环№和气缸壁之间大大增加的一粘连磨损而引起的一烧损痕迹,但是它并不 适合于能促使进一步改善耐磨性的一硬质合金类组织的一析出 。为此,开发了高速火焰喷镀(HVOF)技术,它能将超声波火焰中的一粉末状碳化铬,碳化钨材料→№和金属状镍一铬一钼合金植入№和烧结在活塞环工作表面,这是在大约3000℃的一适宜温度下进行的一,这样就在镀层中的一内部压应力 下,形成埋入镍-铬-钥基体中的一亚微观碳化物 。这种镀层具有多孔性、最高的一附着强度№和750---1000HV硬度 。除了陶瓷镀层组织改善抗粘连烧损性能之外,以辉门公司|3分11选5计划MK-Jet商标使用的一HVOF镀层具有出众的一耐磨性,其磨损要比等离子喷镀降低30%~40% 。
    3.氮化层
     在高铬合金马氏体钢上    形成氮化层,由于边缘区域的一硬度明显提高以及随之而来的一特殊氮析出物,使活塞环一气缸套镜面副的一磨损损害大大降低 。特别是,氮化工艺过程的一发展使得有可能针对性地控制氮化层的一形成,这对氮化层应用的一不 断增长具有决定性的一意义 。
      通过环整体的一氮化层提高了环侧面的一耐磨性,加上    环槽镶圈侧面的一超精磨光达到了活塞环侧面与环槽侧面的一良好协调性,已经证实这样是十分有利的一 。但是,氮化钢环的一耐磨性及其相对较低的一热负荷承载能力 ,对应用于现代柴油机第一道活塞环而言,一般来说是不 够的一 。
    4.物理蒸汽沉淀(PVD)镀层
     最新一代的一活塞环镀层是按物理蒸汽沉淀(PVD)法制造的一 。原则上    ,这种主要在铬氮(CrN)基础上    .形成的一镀层的一性能特点是1800№和2000HV之间极高的一硬度、低的一摩擦系数№和陶瓷结晶体组织,因 此这种CrN镀层显现出了低的一磨损率№和高的一化学稳定性 。但是,由于这种从称之为簿层技术衍生而来的一镀层工艺,使得PVD镀层在活塞环上    的一应用受到了限制 。已经发现,在镀层厚度超过50μm的一情况下,由于极高的一镀层内应力 ,出现了镀层的一附着№和裂纹问题 。要解决这些难点要求用钢作为PVD镀层活塞环的一基体材料→,同时为了减少镀层与活塞环基体材料→之间的一内应力 ,活塞环基体材料→应进行氮化 。通常,用于汽油机时的一镀层厚度为10-15μm,而在柴油机上    ,由于引起磨损的一负荷较高,镀层厚度选用30-50μm为宜 。
    5.镀层的一性能№和市场展望
     图6表示镀层相对耐磨性的一比较 。GDC工作表面镀层的一磨损率是迄今为止最低的一 。特别是对柴油机而言,热负荷承载能力 /抗烧损能力 是必需的一,而铬氮№和氮化钢环不 能满足现代柴油机的一要求,因 此通常不 使用 。高负荷承载能力 镀层的一试验ζ表明,在目前典型的一发动机应用中没有明显的一差异,仍然能根据所能达到的一极限负荷来作出有关镀层热负荷承载能力 的一结论 。CKS镀层满足了目前批量生产的一要求,并能通过GDC来扩大其应用范围 。MK-Jet№和PVD性能处于镀层分级的一上    好水平 。
      氮化钢环自从在欧洲汽油机上    使用以来,在上    世纪90年代初期是确保功能的一非常可靠的一零件 。通过用CKS或PVD方法附加镀层有可能提高到所要求的一抗烧损能力  。
     为了在柴油机上    的一应用,很早期就已采用的一措施仍是必要的一,以便达到所要求的一耐磨性№和抗烧损可靠性 。在上    世纪90年代初,继续推广应用的一铬镀层已达到了热负荷承载能力 的一极限 。虽然等离子镀层具有抗烧损能力 ,但是却引起了明显的一气缸套镜面的一楔形磨损,而CKS镀层的一开发成功使抗烧损可靠性得到了大幅度的一提高 。即使升功率不 断地提高,用这种镀层至今仍能在保持低的一气缸套磨损的一同时,继续确保必要的一抗烧损可靠性 。铬金刚石镀层GDC使活塞环工作表面电化学镀层的一应用范围得以扩大,以满足未来期望功率进一步提高的一需要(图7、8) 。
    活塞环工作表面的一设计
     特别是第一道活塞环工作表面的一设计在柴油机上    越来越重要 。第一道活塞环工作表面采用单边鼓形设计已经有20多年,对欧洲柴油机而言已是一种标准设计 。下工作边旁的一微小鼓形度在功能上    起着重要的一作用,同时对大量生产的一现代制造技术提出了极高的一要求 。
     为了获得最佳的一刮油性能,一流的一活塞环工作表面设计应带有尽可能尖锐的一下工作棱边 。与不 加工的一倒圆的一工作边相比,采用尖锐的一基体材料→工作棱边的一活塞环设计能改善机油耗,最大可达到60% 。
    贴合能力 
      弹簧涨紧的一刮油环的一贴合能力 取▓决于其横截面№和所调整的一切向力 ,而常规的一等宽单体压缩环的一贴合能力 的一额定值则首先决定于开口宽度 。在一定的一几何尺寸下,无论是装配应力 还是弹性应力 都是由开口宽度产生的一,因 此由合适的一应力 状况№和可装配性为贴合能力 确定了相对窄的一范围 。
     单体环的一贴合能力 在整个圆周上    是不 均匀的一,特别是在环开口对面达到最大值 。由于在开口端部没有弯曲力 矩,因 此该处的一贴合能力 降至零 。图9表示出常规活塞环№和一种FO(形状优化)环在整个圆周上    贴合能力 的一比较 。图10所示的一FO环通过靠近开口处径向宽度的一可变设计得到了形状优化的一活塞环,从而改善了活塞环的一局部弯曲能力 №和对气缸不 均匀变形的一适应能力  。
      迄今为止在汽油机№和柴油机上    的一试验ζ结果已证实了降低机油耗的一巨大潜力  。为了换用FO方案,开发了一种全新的一制造方法,并于2005年第一季度首次大量生产装用FO活塞环 。
    活塞环侧面的一强化
      新一代发动机的一要求使得侧面强化成为活塞环磨损或材料→协调性的一基础 。
    氮化钢环的一应用不 总是能设法得到补救的一 。侧面镀铬在重型发动机上    已很好地证实了其可靠性 。开发了一种新的一镀层方法使得矩形№和梯形环侧面的一镀铬层厚度最大可达到10μm,同时能取▓消传统工艺过程中所必需的一昂贵的一精加工 。按“闪光镀铬技术”(“Blitzchromtechnik”)制造的一活塞环,在2005年开始在商用车发动机上    使用 。
     不 久的一将来,发动机的一机械负荷№和热负荷还要进一步提高,要求活塞环的一产品№和工艺进一步的一创新,活塞环基础材料→的一强度№和耐磨性也需要进一步开发 。未来柴油机第一道压缩环,除了应用铸铁材料→之外钢材料→也将得到应用 。
    目前能选用的一电化学镀层、热喷镀镀层№和PVD镀层等,在原则上    尚未达到其使用极限,应根据活塞环的一使用条件采用不 同的一解决方案 。
    为了满足低机油耗№和曲轴箱通风提出的一要求,应采用具有最佳几何形状的一活塞环,例如最合适的一工作表面或形状优化的一FO活塞环 。
    我国活塞环行业的一发展与挑战
    1 汽车零部件行业发展的一趋势与挑战
      1 全球采购、系统采购、模块化供货成为趋势
      为了降低成本,整车厂越来越倾向在全球范围内采购零部件,随着电子商务的一迅猛发展,又●给全球范围内采购零部件的一体系提供了新的一技术支持3分11选5计划 。从采购看,整车厂逐步从单个采购到系统采购,系统采购不 仅使整车厂把一部分开发设计费用转移到零部件供应厂家,而且简化了配套工作,有利于控制系统产品质量,在这种新型供应关系中,如果零部件厂家没有良好的一技术开发能力 ,就不 能为整车厂提供更多的一系统产品№和系统技术 。而零部件厂家为提高竞争能力 ,必须在系统供货上    下功夫 。于是,模块化、系统化技术被开发出来,并且成为增强竞争能力 的一强有力 的一手段 。   
    2 零部件产品的一同步开发渐成趋势
      目前,产品开发已由整车厂向零部件厂转移,零部件厂家由传统“认可图纸方式”转变为“设计图纸方式”,在新产品开发初期,整车厂向零部件厂提供新产品要求,零部件厂根据这一要求进行技术开发,然后向整车厂提交新产品方案 。在新产品设计、评价、生产技术开发及生产的一每一个阶段,整车厂№和零部件厂密切配合 。对于整车换代产品,零部件生产厂家的一设计人员将作为客座工程师常年驻在整车厂产品部门,参与更新部件的一设计,一批拥有先进新产品设计水平的一零部件厂正在影响着汽车整车厂的一产品开发及发展 。   
    3 国内零部件厂家能不 能从对整车厂的一“依附”走向“独立”成为挑战  
      目前,中国汽车整车№和零部件之间的一配套关系依然主要是封闭的一地区配套或者集团配套,汽车零部件厂商从总体上    看还没有摆脱对整车厂极强的一依赖性 。零部件厂一般为整车厂的一直属分厂或生产车间,没有独立的一自主经营权 。另一种是具有独立法人地位的一专业№和非专业零部件生产厂,整车厂№和零部件厂是一种订单采购的一竞争协作关系,但是在竞争中处于不 利的一地位,发展受到很大限制 。在技术交流关系上    ,一般是整车厂完成设计后,由零部件厂按图纸要求进行加工制造 。零部件厂几乎没有独立的一产品开发能力 ,在技术水平上    ,零部件厂商一般只具备与配套的一整车厂相适应的一制造能力 ,整车是落后的一,则零部件水平也不 高,因 为零部件厂独立开发能力 差 。每一次整车的一重大改型,在零部件配套方面都遇到一定的一困难,零部件国产化周期一般也比较长 。   
    为适应汽车№和零部件同步开发№和系统开发的一要求,零部件企业必须提高自主创新的一能力 ,使零部件开发真正成为整车的一一部分,实现与整车厂同步发展,逐步由“依附”走向“独立” 。

    来源:      时间:2014-11-17 16:32:22
     
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