按照国家标准GB/T15089—94《机动车辆分类》规定, 摩托车属于L类, 即少于四轮的机动车辆。摩托车以其体积小、价格便宜、驾驶灵活、使用方便在我国城镇、农村得到广泛的使用。摩托车发动机有四冲程发动机和二冲程发动机两种, 这两种发动机的结构不同, 其活塞环结构和功能也不同。在发动机的结构中, 活塞环是在高温、高压条件下, 唯一做轴向运动、径向运动和旋转运动即三个方向运动的零件, 也是使用条件最为苛刻的零件。对活塞环的材质和加工工艺要求很高, 其主要性能要求有:1) 耐磨性;2) 贮油性;3) 硬度;4) 耐蚀性;5) 强韧性;6) 弹性;7) 耐热性;8) 切削性等。其中耐磨性和弹性是作为活塞环材料最重要的性能。活塞环材料通常有合金铸铁 (主要用于第一道气环) , 球墨铸铁 (主要用于第二道气环) , 而钢质环主要用于油环组件。在实际使用中, 活塞环的磨损失效比汽缸磨损更快, 将导致密封性能下降, 机油消耗增加, 技术状况恶化, 发动机的动力性和经济性变差, 分析和研究活塞环失效原因, 并据此提出克服和减小活塞环失效的方法和对策有重要的现实意义。
目前四冲程发动机活塞环采用三道环的结构, 各道环的结构及特点是: (1) 第一道气环需要承受300℃左右的温度, 润滑条件最差, 一般将第一道气环的工作表面进行多孔镀铬处理, 表面可贮存少量的润滑油, 改善润滑条件, 增强其耐磨性。并将第一道气环的外圆面做成桶面状, 其桶面与汽缸壁形成很狭窄的密封带, 使桶面总能与汽缸壁形成密封带, 且有利于润滑油膜的形成。由于这种环的接触面呈圆弧状, 这对于防止拉缸和漏气以及降低机油消耗量均有良好的效果。 (2) 第二道气环一般是将活塞上第二道气环外圆制成锥面。其锥角约1°30’±15’, 环的下平面有0.2-0.6mm的圆柱面宽。锥面环和汽缸的接触是很狭窄的一条密封带。锥面环既能在活塞上行时在滑动面上布下油膜, 又能在活塞下行时有效地刮去缸壁下端的多余机油。为便于识别安装方向, 锥面环的上平面用激光笔刻制有记号或字母;避免装入活塞时方向装反而起到相反的作用。应将带有记号的一面朝向活塞顶, 特别注意不要装反了, 否则, 便成了向汽缸内刮油, 增加了机油的消耗量, 造成排气冒蓝烟、活塞环及环槽内积炭的故障。 (3) 油环组件是由衬环、片环构成, 其油环的切向弹力约为13-30N, 而同一发动机的气环切向弹力只有5-10N。因此, 组合油环的特点不仅在于其接触压力高, 而且由于上、下刮片能够分别动作, 即使对于圆柱度较差的汽缸来说, 也具有良好的适应性。更重要的是每个环片不仅与汽缸之间的滑动面处保持密封, 而且能在环槽的上下两端面之间保持对机油的气密作用, 因此封油效果极佳。这是目前四冲程发动机活塞环最佳的组合结构方式。
二冲程发动机活塞环由两道压缩气环组成。材料多为球墨铸铁, 外圆镀硬铬。二冲程发动机的润滑, 主要是靠曲轴箱内扫气的油雾或以润滑油和燃油分离供油的方式进行润滑, 因此二冲程发动机工作时, 曲轴箱内的润滑油和燃油充分稀释、混合, 并具有很好的减磨和抗高温烧结能力, 保证零部件的良好润滑并具有清洁性, 并能使其进入燃烧室后完全燃烧, 避免燃烧不完全引起火花塞积炭、点火角提前。为防止因活塞环转动造成在进、排气口处卡死, 二冲程发动机活塞环的开口处设有定位槽。
活塞环损坏失效的形式主要有粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损三种形式。
粘着磨损产生的主要原因是活塞环与气缸壁滑动而过热, 润滑油膜被烧蚀而破坏, 使活塞环和缸壁摩擦表面上凸尖面直接接触, 形成局部高温造成摩擦表面烧损、熔合。其主要原因有:
(1) 使用劣质或牌号不符合要求的润滑油。由于摩托车发动机转速高, 摩擦副之间的润滑油膜承受的挤压强度大 (一般在5~10MPа) , 使用劣质或牌号不符合要求的润滑油起不到润滑作用。
(2) 润滑系统故障造成机油流量不足, 压力过低。其影响因素有:机油过滤网堵塞或局部被堵塞, 处于似堵非堵的状态, 导致机油量不足、压力过低;机油滤清器失效, 滤芯被堵住, 油路被油泥、污垢堵塞;机油泵磨损或维护不当, 导致泵油能力下降;箱体、气缸盖上油道孔被堵塞;二冲程发动机的润滑油量配比不当或配制方法不对。
(3) 发动机过热, 润滑油膜被破坏。由于摩托车发动机温度过高, 气缸盖过热, 各摩擦副之间润滑条件恶化, 活塞变形, 破坏了气缸、活塞、活塞销及活塞环等摩擦副相配零部件间的正常装配关系, 甚至使活塞环卡死在环槽中, 加速熔着磨损。其影响因素有:润滑油过量或过少;风冷或强制风冷发动机的缸体散热片被油泥、污垢堵塞, 影响散热;磨合时, 气缸壁、活塞和活塞环的摩擦表面凸尖部分产生高温;水冷发动机不注意及时添加冷却液, 或冷却液不足、泄漏, 引起发动机过热;超负荷工作, 长时间高速运行和连续工作, 缸盖容易过热;发动机工况恶化, 爆震;点火过早, 或使用低标号汽油或劣质汽油。
(4) 违反操作规程, 使用、维护不当。其影响因素有:出车前, 不预热升温, 狂轰油门或突变油门, 突变载荷, 引起润滑不良, 活塞环擦伤;忽视磨合期的使用和维护, 不限速、超负荷运转, 不注意磨合期的例行维护保养;发动机长时间怠速运转。
磨料磨损不仅造成活塞环圆周工作面的磨损, 而且使活塞环上、下端面以及活塞环槽间形成机械性的研磨作用。活塞环槽与环的间隙过大, 导致活塞环在环槽中上、下运动幅度增大, 引起机械性的追击磨损, 并且“泵油”作用加剧, 烧耗机油, 积炭严重, 形成恶性循环。因为空气灰尘中含有Si O2, 其颗粒小、硬度高达HRC50以上, 会使气缸壁和活塞环的圆周工作面及上下端面严重磨损。氮化环和镀铬环的硬质层厚度大约为0.06~0.08mm, 实验资料表明, 一旦有1g的灰尘进入气缸, 将导致缸壁磨损0.01mm, 活塞环的镀铬层或氮化硬质层将磨损0.04~0.06mm, 磨料使其磨损速度极快, 一旦表面硬质层被磨掉, 活塞环的耐磨性将急剧下降, 其密封和控油能力将在极短时间内失效。其主要原因有:
(1) 空气滤清器失效。新鲜的空气通过空气滤清器进入汽缸, 空气中含有灰尘。灰尘吸附在滤芯的微孔上, 易引起堵塞, 使空气流动阻力增加, 充气系数下降, 造成混合气过浓, 发动机工况恶化。
(2) 机油滤清器和燃油滤清器失效。发动机在运行过程中混入的水份、灰尘、杂质, 使润滑油老化, 燃油变质, 导致润滑性能下降, 燃烧不完全。
(3) 机油长期使用, 易变质失效。二冲程发动机所选用的机油与汽油不能雾化, 易粘附在缸壁上, 使其润滑不好, 燃烧不完全, 形成积炭, 加剧了活塞环的磨损。
(4) 曲轴箱通气孔堵塞。废气不容易排出, 曲轴箱内气压增加, 容易使机油变质, 油温升高, 破坏油膜的形成。
劣质机油中含有硫等化学物质附在缸壁上并总有少量机油在燃烧室内燃烧和分解, 其形成的酸将凝聚在气缸壁、活塞和活塞环上, 引起电解腐蚀。此外, 可燃混合气燃烧后生成的碳、氮的氧化物也有化学腐蚀作用。特别是低温启动时混合气燃烧后生成水蒸气, 与废气中的硫、氮、碳的氧化物生成酸类, 依附在缸壁、活塞及活塞环上, 使其产生电化学腐蚀和湿腐蚀 (微电池化学腐蚀) 。当活塞及活塞环在气缸内作往复运动时, 这些薄弱的金属腐蚀物, 又极易脱落导致磨料磨损, 其相互作用的结果腐蚀严重、磨损也严重。
要提高活塞环的使用寿命, 关键在于选择有质量保证的活塞环和相关配件。活塞环外表面不允许有裂纹、毛刺、锈蚀和崩缺现象。不镀铬和镀铬活塞环的径向厚度公差应分别在0.2mm和0.25mm以内;活塞环的翘曲度, 其直径在100mm以内的, 不得大于0.03mm。检查活塞环弹力和漏光时需符合相关技术标准, 油环组件在活塞上组合后不允许有漏光现象。
使用合格的润滑油对减少磨损、延长活塞环的使用寿命至关重要。一般摩托车使用说明书中都有明确推荐该车润滑油的牌号、规格和要求。最初行驶走合期500Km需更换润滑油;行驶1500Km后第二次更换润滑油, 以后每4000Km更换一次润滑油。对二冲程发动机, 必须按摩托车使用说明书的规定进行汽油与润滑油的混合配比, 一般汽油与润滑油的容积混合比不低于22:1;要使汽油与润滑油充分混合均匀后, 加入油箱, 禁止将润滑油直接加入油箱, 这样难以达到混合均匀。
摩托车发动机的空气滤清器、燃油滤清器和润滑油滤清器的“三清”作业是必不可少的日常例行维护保养作业, 也是养车护车的重要内容。
发动机散热正常时发动机气缸内的可燃混合气燃烧后产生的酸性物质, 能及时随废气排出汽缸, 对活塞、活塞环及缸壁腐蚀最小, 因此做好发动机清洁工作, 保证发动机正常散热十分重要。
在新车使用时, 必须根据磨合期的润滑要求, 严格执行磨合期的规定;按日常维护保养规定在出车前检查燃油、机油及冷却液液面;起动发动机怠速升温, 使润滑油到达各摩擦副的润滑部件后, 才能平稳起步, 并在行驶途中及时换挡, 要求档位与速度匹配行驶;避免急加速或急减速驾驶摩托车。
活塞环在工作时处在高温、高速、高压的状态下, 工作环境恶劣, 磨损失效速度快, 将导致密封性能下降, 技术状况恶化, 机油消耗增加, 发动机的动力性和经济学变差。因此, 注意采用合适的方法和对策, 避免和减小摩托车发动机活塞环的磨损失效, 延长活塞环的使用寿命, 延长发动机的使用寿命, 让摩托车为人类美好的生活发挥更大、更久的作用, 具有较好的使用效果。
摘要：摩托车发动机活塞环使用条件恶劣, 受力情况十分复杂, 很容易造成早期磨损失效而影响发动机的使用寿命。本文对摩托车活塞环失效的原因进行了分析, 并进一步提出了一些有效预防的方法和对策。
关键词：摩托车发动机,活塞环,失效原因,分析及对策
[1] 艾兆虎主编《家用摩托车故障排除与修理指南》, 人民邮电出版社2002年1月
[2] 肖永清、燕来荣主编《摩托车故障诊断与维修一本通》, 国防工业出版社2006年6月.
