某發動機活塞環裝配裝置的研制

摘要：為提高發動機活塞環裝配效率和裝配質量，降低勞動強度，根據活塞環直徑和開口形狀，利用杠桿平衡原理，設計一種適用于發動機缸徑為200～250 mm的活塞環裝配裝置并進行實際應用。結果表明：設計的活塞環裝配裝置可以保證活塞環的安裝質量，成本低，操作簡單，通用性強，使用該裝置裝配的活塞環均未出現碎裂故障；安裝一套三環活塞環組的裝配時間由8 min減少到5 min。該裝置能夠滿足活塞環裝配高效率、高質量的生產需求。

關鍵詞：活塞環；活塞；活塞環工裝；柴油機

中圖分類號：TK426文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0032-05

引用格式：孫京博，張英，張成春，等.某發動機活塞環裝配裝置的研制［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（3）：32-36.

SUN Jingbo， ZHANG Ying， ZHANG Chengchun， et al. Development of a piston ring assembly device for an engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：32-36.

收稿日期：2024-03-28

基金項目：山東省企業技術創新項目（202360003003）

第一作者簡介：孫京博（1976—），女，山東淄博人，工程師，主要研究方向為柴油機設計制造，E-mail： sunjingbo123456789@163.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.005

0" 引言

活塞環是燃油發動機內部的核心零件，與氣缸、活塞、氣缸壁等配合實現燃油混合氣密封。活塞環對燃油是否完全燃燒和柴油機的工作狀態至關重要，活塞環功能與其裝配工藝密切相關［1］。

活塞環擴展器是最簡單的活塞環工裝，利用手指撐開活塞環進行裝配，但這種活塞環擴展器主要應用在缸徑不大于100 mm的汽油機上［2］。有學者設計了半自動化裝配裝置，但半自動化裝配生產效率低，裝配質量不穩定，且多用在缸徑為60～100 mm的車用發動機上，使用范圍較小［3-5］。目前對活塞環裝配工藝的研究大多針對單個活塞裝配，雖然也有針對多缸柴油機活塞環快速安裝裝置，可以實現將一組活塞環同時安裝到活塞上，但只適用于特定系列、特定缸徑的柴油機，通用性差。

目前通常采用手工方式裝配發動機缸徑大于100 mm的活塞環，操作人員將活塞環口掰開并撐大后，套入活塞環槽內。該操作方法不僅費時費力，而且活塞環開口容易劃傷手指，因此，有必要設計一種專業、操作方便快捷的裝置完成活塞環的裝配。在綜合考慮制造成本、使用便捷性和通用性的基礎上，設計一種活塞環裝配裝置，以提高活塞環的裝配效率，為改進活塞環裝配工藝提供參考。

1" 活塞環裝配過程

裝配活塞環時，應將活塞環平整地嵌入活塞槽溝內部，確保活塞環不變形、不斷裂［6］。在自由狀態下，活塞環開口間隙m及高度a1如圖1所示。以適用于某發動機缸徑為200 mm的活塞環第一道環開口間隙m=20 mm為例，進行手動裝配時，手工掰開活塞環開口，力度難以掌握，極易導致活塞環變形。當用力超過活塞環的組合切向彈力時，可能導致活塞環斷裂［7］。活塞環手動裝配過程示意圖如圖2所示，活塞環斷裂外觀如圖3所示。

隨著活塞環直徑增大，其切向彈力也相應增大，直徑為200 mm的活塞環，其切向彈力可達100 N。活塞環裝配過程中，操作者需將活塞環掰開，并在保持活塞環撐開狀態下，將其從活塞頭部套入活塞環槽。安裝時應注意各道環的結構和安裝方向，操作中一旦脫手，活塞環的開口可能會傷害手指，且在活塞環自身彈力的作用下容易劃傷活塞外壁，造成擦傷，帶來安全和質量隱患［8-9］。因此設計的活塞環裝配裝置一方面應保證活塞環安裝質量，消除安全隱患，另外還要省力、簡便、易于操作，提高裝配效率。

活塞環的材料主要是鑄鐵，容易折斷，裝配不當易導致變形［10］。安裝活塞環時，活塞環的開口不宜張開過大。將活塞環撐開至直徑大于活塞環外徑約2 mm，保證活塞環與活塞圓周的間隙不小于1 mm。

2" 活塞環裝配裝置設計方案

正確安裝活塞環是保證其功能的關鍵。設計活塞環裝配裝置時，應保證操作者能獨立完成作業并且省力。參考手鉗的工作原理［11］，設計一種手持式鉸接鉗裝置，設計原理示意圖如圖 4所示，圖中：F1為動力，即手施加的力；F2為阻力，即張開活塞環所需的力；L1為動力臂；L2為阻力臂；O為鉸接點；AB為阻力臂；BC為動力臂；h為撐開后距離；H為單手操作時手鉗的最大張開距離。該裝置結構為以鉸接點O為支點的杠桿，杠桿支點兩側的力矩相等，即：

F1L1=F2L2。（1）

由圖4可知：

h/L2=H/L1。（2）

操作時，一手輔助握住活塞環，另一手持裝置卡住并使活塞環張開。考慮到手掌的抓握動作范圍不超過100 mm，因此H不宜大于100 mm。

考慮活塞環開口初始寬度最大為32 mm，安裝時在此基礎上增大 6 mm，使安裝時活塞環開口長度Δh=6 mm。H的變化ΔH=ΔhL1/L2，張開活塞環所需施加的力F1=F2L2/L1，按F2=100 N（缸徑為200 mm時第一道環的切向彈力）估算，F1=100L2/L1。根據實際經驗，人手施力以不超過25 N時舒適性較好，因此，L1/L2應小于0.25。配套發動機缸徑為200～250 mm的活塞環，動力臂與阻力臂的長度比可取4：1，根據人手實際操作可控長度，設定L1=120 mm，L2=30 mm。Δh= 6 mm時，ΔH=24 mm。但如果將鉗柄設計為直線，由式（2）可得：h=32 mm時，H=128 mm；h=38 mm時，H=152 mm。單手撐開時無法達到這個距離，因此將鉗柄設計為直線不滿足使用要求。

為了減小H，將阻力臂相對向外折彎一定的角度，充分利用活塞環缺口的寬度，動力臂和阻力臂示意圖如圖5所示。阻力臂折彎后，2個阻力臂之間的開口增大，有利于撐開活塞環的開口。由于折彎后h增大，大于活塞環開口弦長32 mm。在阻力臂頭部設計具有旋轉功能的卡槽，保證活塞環在自由狀態時卡槽能夠旋轉到開口位置并卡住活塞環。隨著活塞環被撐開，動力臂帶動阻力臂和卡槽，將活塞環開口撐開到所需大小。為保證卡槽固定活塞環開口時的穩定性，卡槽設計為U型，U型卡槽一側為用于防止活塞環開口端脫出的限位鉤，另一側為貼合活塞環外壁進行固定的平面臺。

為保證工作中卡槽能平穩準確地固定活塞環開口，設計一種輔助定位活塞環的環槽，其結構示意圖如圖6所示。環槽為半圓型，外徑比活塞環外徑大0.5 mm，內徑比活塞環外徑小0.5 mm。環槽焊接到活塞連桿裝配平臺上，其半圓切面與平臺平齊，活塞環可以輕松固定到活塞環槽內腔，開口端朝向平臺外部。當使用鉗柄的卡槽卡住活塞環開口時，活塞環槽起固定活塞環的作用，確保活塞環裝置卡住活塞環開口時活塞環限位固定，方便操作。

根據活塞環高度a1設計不同高度的U型卡槽，卡槽兩端分別設計有卡口，兩側卡口的限位鉤總厚度小于自由狀態下活塞環開口間隙，從而滿足使用要求。本文中設計的限位鉤厚度為3 mm。自由狀態下，活塞環開口間隙一側的U型卡槽限位鉤固定活塞環的開口端，另一側固定活塞環的外壁，卡口寬度與活塞環之間為間隙配合，可實現缸徑為150～250 mm時不同型號活塞環的裝配。綜合考慮設備的可操作性和握持時的舒適度，鉗把直徑設計為10～20 mm。

3" 活塞環裝配裝置的結構設計及應用分析

3.1" 裝配裝置結構

活塞環裝配裝置結構示意圖如圖7所示。該裝置包括通過鉸接連接的2個鉗柄，

2個動力臂和2個

阻力臂，分別位于鉸接點兩側。為了便于單手握持，阻力臂采用對向折彎結構；鉸接點設有用于安裝旋轉銷的銷孔，在阻力臂的端部設計用于固定活塞環的卡槽。由于活塞環兩端的開口對稱，鉗柄水平端未打開時，動力臂、阻力臂和卡槽均為對稱布置，以便更好地撐開活塞環。為了方便卡槽與活塞環卡接，卡槽與阻力臂通過鉸接連接，卡槽可以轉動。當動力臂撐開時，鉸接連接的阻力臂被撐開，兩側的卡槽撐開活塞環。

動力臂和阻力臂撐開時圍繞鉸接點轉動。為保證撐開后的活塞環不變形，裝配裝置的鉗柄撐開后應在一個水平面內，因此，在動力臂1上設計旋轉導向桿，旋轉導向桿與動力臂1平行，并在動力臂1上設計用于與旋轉導向桿卡接配合的限位槽，如圖8所示。當動力臂1、2水平撐開時，由于限位槽與旋轉導向桿卡接，限位槽沿旋轉導向桿轉動，使2個鉗柄始終處于同一平面，保證撐開的活塞環不變形、不扭曲。

為適應動力臂1的旋轉運動，

旋轉導向桿通常設計為弧形，其圓心與鉸接點重合。旋轉導向桿與動力臂2

的連接位置不僅影響裝置的握持，還影響動力臂1的最大旋轉角度，因此，旋轉導向桿的長度應為動力臂2長度的1/2～2/3，既便于握持又距活塞較遠，不易劃傷活塞。

鉗柄的材料為Φ12 mm Q235鋼，屈服強度δs=235 MPa，滿足使用要求。裝置工作時受力分析如圖9所示。使用時，首先利用卡槽卡住活塞環的開口端，一手緊握鉗柄，控制動力臂1向遠離動力臂2的方向轉動，逐漸撐開活塞環；當活塞環的內徑大于活塞外徑約2 mm時，將活塞環從活塞頭部移動至活塞環槽位置，緩慢松開動力臂1、2，使活塞環在自身彈力的作用下進入活塞環槽內，避免損傷活塞外壁。

3.2" 應用分析

活塞環裝配使用實例如圖10所示。使用時，卡槽卡住活塞環開口位置，兩側卡槽各承受活塞環切向彈力的1/2，鉗柄端承受撐開活塞環所需的動力，卡槽帶動活塞環撐開，套裝到活塞的環槽中。

據統計，2022年，因手動安裝導致的活塞環碎裂共計25臺套，占總安裝活塞環的1.7%，經濟損失為3 600元。2023年1月本文中設計的裝置投入使用，活塞環安裝過程中未出現活塞環碎裂故障。

該裝配裝置投入使用前，操作者裝配一臺套三環的活塞環組用時8 min，采用該裝置裝配僅需要5 min，提高了裝配效率。

4" 結論

1）基于杠桿原理，設計了一種活塞環裝配裝置，該裝置包括鉸接連接的2個動力臂，在阻力臂端設有與活塞環開口端卡接的卡槽；當2個動力臂相對靠近時，可以固定開口的活塞環，并將其套裝到活塞的環槽部位，活塞環在自身彈力作用下進入活塞環槽，實現活塞環裝配。

2）實際應用表明，該裝置提高了活塞環的裝配效率，減少了活塞環損壞風險，確保活塞環裝配質量；該裝置具有良好的推廣應用前景，適用于同類型活塞環的裝配。

參考文獻：

［1］" 何麗敏.發動機活塞環的結構特點與安裝技巧［J］.農機使用與維修，2017（6）：27.

［2］" 龍騏.簡析柴油發動機活塞環結構特點及安裝方法［J］.南方農機，2021，52（1）：54-55.

［3］" 姜曉霆，張志剛，周明歡，等.一種大型柴油機活塞環裝配裝置及裝配方法：CN16175482A［P］.2023-05-30.

［4］" 蔣小春.一種多缸柴油機活塞環安裝用裝置：CN20051669U［P］.2023-01-21.

［5］" 焦博文，張濤，馬旋，等.活塞環周向張力仿真計算及試驗驗證方法［J］.內燃機學報，2023，41（5）：473-479.

［6］" 呂延軍，羅宏博，張永芳，等.內燃機活塞組件-缸套系統表面技術研究進展［J］.交通運輸工程學報，2022，22（1）：24-41.

［7］" DELPRETE C，RAZAVYKIA A.Piston dynamics， lubrication and tribological performance evaluation： a review［J］.International Journal of Engine Research，2020，21（5）：725-741.

［8］" ZHANG H Y，LIU X R，GONG J Z， et al.Thermohy drodynamic lubrication characteristics of piston rings in diesel engine considering transient heat transfer under the parameterized surface texture of cylinder liners［J］.Energies，2023，16（24）：7924.

［9］" 盧耀輝，張舒翔，謝寧，等.大功率柴油機活塞環氣環的強度有限元分析［J］.大連交通大學學報，2015，36（4）：27-31.

［10］" 袁成清，殷華兵，饒響，等.船舶柴油機缸套/活塞環材料及其磨損控制研究進展［J］.船舶工程，2023，45（11）：14-42.

［11］" 吳嘉明.發動機活塞油環刮片自動裝配機的研制［J］.組合機床與自動化加工技術，2021（10）：161-162.

Development of a piston ring assembly device for an engine

SUN Jingbo1， ZHANG Ying2， ZHANG Chengchun1， WANG Yikun3

1.Zichai Machinery Co.， Ltd.， Zibo 255000，China; 2.Zichai Power Co.， Ltd.， Zibo 255000，China;

3.School of Ship Electrical Engineering， Dalian Maritime University，Dalian 116026，China

Abstract：In order to improve the assembly quality and efficiency of the engine piston ring， reduce the labor intensity， an engine piston ring assembly device suitable for the cylinder diameter of 200-250 mm was designed and applied according to the piston ring diameter and the shape of the lap， using the lever balance principle. The results show that the designed piston ring assembly device improves the installation quality of the piston ring， with low cost， simple operation and strong universality. The piston rings assembled by the device do not appear fragmentation failure， and the assembly time of a three-ring piston ring group is reduced from the original 8 min to 5 min. The device can meet the high efficiency and high quality production requirements of piston ring assembly.

Keywords：piston ring;piston;piston ring assembly device;diesel engine（責任編輯：劉麗君）