二、曲柄连杆机构的工作条件
曲柄连杆机构是内燃机重要部件，影响动力性和可靠性；零件数多，涉及面广。它的相对工作条件比较复杂，一般有以下几点：
1.热负荷高，燃气最高温度达2000～2500℃以上，活塞等300℃以上；
2.机械负荷大：a.燃气压力：高达5～9MPa，增压机15MPa；b.惯性力:一是往复惯性力，由活塞变速运动产生的；二是旋转惯性力，曲柄质量不平衡形成离心力；惯性力约为其本身运动质量的300～1000倍；c．侧向作用力，燃气压力与往复惯性力合力的分力；
3.高速：汽油机4000～6000rpm，柴油机2000～4000rpm，活塞平均速度Cm = 7.5-12.5m/s。
4.强烈磨损和腐蚀
a．磨损存在于各摩擦副间，作用力大，相对速度高，磨损严重，缸壁与活塞摩擦耗功约占摩擦耗功50％左右；b．腐蚀：燃气、SO2等主要腐蚀活塞顶、缸盖底平面及缸套内表面；冷却水：腐蚀缸套外表面；
三、曲柄连杆机构的组成
图1是曲柄连杆机构的基本组成，如果按照大类分就是曲柄飞轮组件和活塞连杆组件两部分。
1.1活塞组的主要作用为：①组成可变的工作容积；②承受燃气压力并传至连杆；③散热。活塞组由活塞、活塞环、活塞销等零件组成。
1.1.1活塞工作条件一般为高温、高压、高速、磨损强烈，所以要求活塞的制作材料高温强度好且密度小、膨胀系数小、耐磨、导热性好。一般为铸铁或铝合金，这点选材上和空压机也基本上一样。接下来我们看一下活塞的结构构成，如图3所示。
活塞的结构构成主要有：顶部——组成燃烧室的主要部分；头部——环带部，又称密封部；裙部——导向部位，承受侧作用力。
如图4所示是6种常见形式的活塞顶部，其中a款式和我们空压机常见的活塞顶部形式是一样的，其他5款完全不一样。个人理解是空压机更加注重将动力能量转换成蓄势的空气能，更加注重空气的压缩和压缩效率。下面我们大体来了解一下不同结构活塞顶部的设计意图，这个点也是和空压机的设计有所差异的一个地方。
活塞顶部设计成非平面状，粗略的分析一般有以下几个原因：1）增大与燃烧气体的接触面积，提高吸热面积；2）避开顶部的运动部件，如气门；3）为了保证燃烧室的有效容积，结构设计需要。
活塞销座以上，活塞顶部以下称之为活塞头部，如图5所示，这个区域主要与活塞环配合。主要作用为密封——用以阻止气体进入曲轴箱、机油进入燃烧室，和导热——用以将顶部吸收的热量大部分由头部传给汽缸。活塞环和环槽的设计是有一定原则的，活塞环数取决于发动机的转速和气缸最高压力。高速发动机环数少，汽油机环数比柴油机少。一般汽油机采用2道气环、1道油环；柴油机为3道气环、1道油环；低速柴油机采用3～4道气环。环数减少则摩擦损失小。对于环槽，工作过程中活塞环温度高，铝合金活塞受高温硬度下降、易磨损，为了提高环槽的磨损寿命，一般会设计一个环槽护圈。环槽护圈一般采用热膨胀系数与铝合金接近的奥氏体铸铁，可使环槽的寿命提高3～5倍。既然活塞头部是整个热量的聚集区，那么我们怎么设计去降低活塞头部的热力负荷呢？ 一般有以下三点措施：1）第一道环槽上方的隔热槽；2）头部增厚，使顶部吸的热易通过气环传走；3）顶部喷油冷却：自由喷射冷却；冷却油腔强制冷却（一般第一环槽温度不应超过225℃）。
活塞组的最后一个组成部分是活塞裙带，如图6所示。它的主要作用是导向、承受侧作用力。设计时一般要求裙部与汽缸间间隙尽量小；裙部横截面一般呈椭圆形，活塞销方向为短轴；纵截面呈上小、下大（上面温度高，膨胀大），或中凸形状（桶型，使活塞上、下运动均可以得到良好润滑），目的是补偿裙部的椭圆变形。
活塞裙部产生变形的主要原因：①金属受热膨胀不均匀；②燃气作用力使裙部沿销轴向外扩展；③侧向力作用使裙部变形，销轴方向伸长。裙部工作时产生椭圆形变形，与气缸间隙不均匀。裙部变形防止措施：车用汽油机: ①裙部开П形或T形弹性槽；②在销座上安装“恒范钢片”，牵制热膨胀。柴油机活塞裙部变形防止措施：①裙部镶入圆筒式钢片；②将裙部作成倒椭圆；③高度方向上，直径上小下大。最好是中凸形，润滑良好。
活塞上还有一个用来安装活塞销的位置叫做活塞销座，如图7所示。作用：将活塞承受的气体作用力经活塞销传给连杆。活塞销轴线通常位于活塞中心平面内。高速汽油机通常采用偏心布置，减小活塞在上止点附近侧压力换向时产生的敲击噪声。如下图所示。这种设计在高端一点的空压机产品中也有应用。
1.1.2活塞环分为气环和油环两种。活塞环材料：有铸铁和钢两种。经常镀多孔性铬、喷钼，或镀锡、磷化等。
气环也称压缩环，主要功能：1）密封，阻止气缸中高温、高压气体漏入曲轴箱；2）传热，将活塞顶部的热量传给气缸壁。气环按照截面的形状可以分为以下几类：1）微锥面环：磨合性好，锥角通常在30'～60'的范围内，配时不能装反，否则机油消耗量成倍增长，夏利轿车发动机第二道气环为微锥面环；2）扭曲环：密封性与磨合性都较好；3)梯形环：抗结胶性好，顶角通常为15°，具有自动清除积碳的作用，一般用于强化柴油机的第一环；4)桶面环：外圆面为凸圆弧形，工作时圆弧接触。抗拉缸性好，环的上下两面都为楔形，容易形成液体润滑。夏利轿车发动机、富康轿车发动机第一道气环均为桶面环，捷达轿车发动机第一道气环为桶面扭曲环。
油环主要功能：布油和刮油； 上行布油，下行刮油。
油环按照结构分为三种：a.普通油环；b.带胀圈的油环；c.带卷簧胀圈的油环。捷达、夏利轿车发动机均使用组合油环。按照截面形状可以分为以下五种：1）组合式；2）螺旋衬簧式；3）切槽式；4）倒角方向相同；5）4）倒角方向不同。
1.1.3活塞销主要功用为连接、传力，故要求活塞销有足够的刚度和疲劳强度，表面耐磨性要好。活塞销结构多是空心圆柱体，配合形式多为“全浮式”—动配合，一般采用挡圈轴向定位。活塞销的装配注意事项：为保证工作时在高温状态下活塞销与销座孔之间的间隙适当，有些发动机在室温下活塞销座与活塞销之间为过盈配合，装配前需要将活塞加热至70～90°后，再将活塞销轻轻推入销座。有些活塞销冷态装配，不需加热活塞，但需根据活塞销孔和活塞销尺寸进行分组装配。
1.2连杆组的主要作用为：①传递力; ②运动转换。连杆组一般由连杆体、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓等组成。工作条件：承受冲击性交变载荷。制作材料常用有较高疲劳强度和冲击韧性的中碳钢和合金钢。
连杆组成部分分三部分：①连杆小头: 薄壁圆环形，内装薄壁铜套，飞溅润滑；②连杆身：长杆件, 一般连杆都将横断面设计成工字型，小头、大头大圆弧过度避免应力集中，分别连接活塞组件和曲柄组件；③连杆大头：为装配需要成分开式的，采用平切口或斜切口。连杆大头切口定位措施有：①锯齿定位；②圆销定位；③套筒定位；④止口定位。连杆大头孔内轴瓦也做成分开式的，一般外层为钢质，内层浇铸耐磨合金层。
近年来发展出一种新型的“断口定位”方法。利用断口的自然断面进行定位，一汽大众捷达轿车EA113五气门发动机高碳锻钢连杆采用断口定位。连杆装配时，一般都以克为计量单位按连杆的大小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。
V型和W型的内燃机连杆的结构形式和直列型的略有不同，空压机的连杆同样也遵循这个规律。
2. 曲柄飞轮组：主要由曲轴、飞轮、平衡重、减振器及传动齿轮等组成。
2.1曲轴主要功用：1)将连杆传来的力转变成转矩输送给车辆传动装置；2)驱动配气机构；3)驱动其他辅助装置。曲轴由前端(自由端)、后端(功率输出端)及若干个曲柄组成。前端：阶梯式轴段，装有传动齿轮、皮带轮、密封件等某些装有扭转减振器。曲轴后端：功率输出端。结构: 法兰盘或花键。曲柄:又称曲拐，由曲柄销、曲柄臂、主轴颈组成。
内燃机曲柄布置形式，现在多为直列的3缸，4缸；V列的6缸，8缸；还有极少数的W型的12缸，如图14所示。曲柄数与缸数及排列型式有关:直列式与缸数相等；V形为缸数一半。
W型发动机的曲轴结构复杂，左、右排汽缸分别布置在不同的曲拐上，每个拐上还以错拐的形式安装了两个连杆。
曲柄根据主轴颈数不同，分为全支承及非全支承。曲轴轴颈结构多为中空的，减小质量及离心力；为了减少应力集中，主轴颈、曲柄销与曲柄臂连接处采用过渡圆弧，如图14所示。曲柄的平衡重是用来平衡旋转离心力及力矩，或平衡往复惯性力及力矩的设计。平衡重的布置与缸数、气缸排列及曲轴形状等有关。
曲轴的形状即各曲柄之间相对位置，即曲柄夹角θ。θ与缸数、气缸排列及冲程数有关。在确定曲柄夹角θ值时要考虑以下几个主要因素：1）为使发动机工作平稳，各缸着火间隔角尽可能相等。例如四缸机应为180°，三缸机为240°；2）为了减轻主轴径和主轴承载荷，相邻两缸尽量不连续着火；3）发动机平衡性好；4)对于V型发动机，要考虑左右两缸交替发火。
2.2飞轮主要功用：①储能及释放能量；②减小角速度不均匀性；③使输出转矩均匀；④利于内燃机起动与车辆起步。结构形式：①质量多集中在轮缘——为使转动惯量较大而质量较小；②一般飞轮外装齿圈，与起动电机啮合；③飞轮上往往刻有各种定时记号以便调整有关相位。
四、曲柄连杆机构的受力情况
1、燃气作用力：Pg＝πD2（p-p'）/4
2、摩擦力忽略不计，因为它的数值较小。
3、惯性力：
3.1 往复运动惯性力Pj为（推导过程略）Pj＝mj（Rω2cosα＋Rω2λcos2α） = Pj1+Pj2Pj的作用方向沿气缸中心线，或正或负；
3.2 旋转运动惯性力(或称旋转离心力) Pr＝mrRω2Pr的作用方向总是沿曲柄向外活塞上总作用力PΣ的分解与传递。
作用在曲柄连杆机构上的力有Pg、Pj、Pr，对于多缸机，还有其形成的力矩。其中Pg在机体内部达到平衡；侧压力所形成的反转矩M’无法平衡(证明略)，将传递到发动机的支架上。Pj与Pr随α的变动呈周期性变化，这些力与力矩不断传递到机体外的支点，引起内燃机振动。
振动会使车内乘员疲劳，使支架损坏和连接件松动，严重时引起事故。必须对不平衡的力和力矩采用一些措施，使其达到平衡或将振动减低到最小程度。
五、结语
内燃机行业相对于空压机行业来说工业布局比较早，相对比较成熟，对于某些通用的原理和机构研究、应用的也比较成熟。希望我们通过差异化对比学习，可以设计出更好的空压机产品来。
参考文献
[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 化学工业出版社. 2007
[2] 于惠力. 机械零部件设计禁忌[M]. 机械工业出版社. 2006
[3] 陆宁. 机械原理[M].机械工业出版社. 1997
[4] 刘永长. 内燃机原理[M]. 华中理工大学. 1992
[5] 全兴信. 内燃机学[M]. 机械工业出版社. 2016
作者简介
吴广忠（1980--），男，汉族，山东省青岛市人，大学本科（工学学士），毕业于青岛科技大学，中级工程师，研究方向：空气nianxiangyuan
。
来源：本站原创
二、曲柄连杆机构的工作条件
曲柄连杆机构是内燃机重要部件，影响动力性和可靠性；零件数多，涉及面广。它的相对工作条件比较复杂，一般有以下几点：
1.热负荷高，燃气最高温度达2000～2500℃以上，活塞等300℃以上；
2.机械负荷大：a.燃气压力：高达5～9MPa，增压机15MPa；b.惯性力:一是往复惯性力，由活塞变速运动产生的；二是旋转惯性力，曲柄质量不平衡形成离心力；惯性力约为其本身运动质量的300～1000倍；c．侧向作用力，燃气压力与往复惯性力合力的分力；
3.高速：汽油机4000～6000rpm，柴油机2000～4000rpm，活塞平均速度Cm = 7.5-12.5m/s。
4.强烈磨损和腐蚀
a．磨损存在于各摩擦副间，作用力大，相对速度高，磨损严重，缸壁与活塞摩擦耗功约占摩擦耗功50％左右；b．腐蚀：燃气、SO2等主要腐蚀活塞顶、缸盖底平面及缸套内表面；冷却水：腐蚀缸套外表面；
三、曲柄连杆机构的组成
图1是曲柄连杆机构的基本组成，如果按照大类分就是曲柄飞轮组件和活塞连杆组件两部分。
1.1活塞组的主要作用为：①组成可变的工作容积；②承受燃气压力并传至连杆；③散热。活塞组由活塞、活塞环、活塞销等零件组成。
1.1.1活塞工作条件一般为高温、高压、高速、磨损强烈，所以要求活塞的制作材料高温强度好且密度小、膨胀系数小、耐磨、导热性好。一般为铸铁或铝合金，这点选材上和空压机也基本上一样。接下来我们看一下活塞的结构构成，如图3所示。
活塞的结构构成主要有：顶部——组成燃烧室的主要部分；头部——环带部，又称密封部；裙部——导向部位，承受侧作用力。
如图4所示是6种常见形式的活塞顶部，其中a款式和我们空压机常见的活塞顶部形式是一样的，其他5款完全不一样。个人理解是空压机更加注重将动力能量转换成蓄势的空气能，更加注重空气的压缩和压缩效率。下面我们大体来了解一下不同结构活塞顶部的设计意图，这个点也是和空压机的设计有所差异的一个地方。
活塞顶部设计成非平面状，粗略的分析一般有以下几个原因：1）增大与燃烧气体的接触面积，提高吸热面积；2）避开顶部的运动部件，如气门；3）为了保证燃烧室的有效容积，结构设计需要。
活塞销座以上，活塞顶部以下称之为活塞头部，如图5所示，这个区域主要与活塞环配合。主要作用为密封——用以阻止气体进入曲轴箱、机油进入燃烧室，和导热——用以将顶部吸收的热量大部分由头部传给汽缸。活塞环和环槽的设计是有一定原则的，活塞环数取决于发动机的转速和气缸最高压力。高速发动机环数少，汽油机环数比柴油机少。一般汽油机采用2道气环、1道油环；柴油机为3道气环、1道油环；低速柴油机采用3～4道气环。环数减少则摩擦损失小。对于环槽，工作过程中活塞环温度高，铝合金活塞受高温硬度下降、易磨损，为了提高环槽的磨损寿命，一般会设计一个环槽护圈。环槽护圈一般采用热膨胀系数与铝合金接近的奥氏体铸铁，可使环槽的寿命提高3～5倍。既然活塞头部是整个热量的聚集区，那么我们怎么设计去降低活塞头部的热力负荷呢？ 一般有以下三点措施：1）第一道环槽上方的隔热槽；2）头部增厚，使顶部吸的热易通过气环传走；3）顶部喷油冷却：自由喷射冷却；冷却油腔强制冷却（一般第一环槽温度不应超过225℃）。
活塞组的最后一个组成部分是活塞裙带，如图6所示。它的主要作用是导向、承受侧作用力。设计时一般要求裙部与汽缸间间隙尽量小；裙部横截面一般呈椭圆形，活塞销方向为短轴；纵截面呈上小、下大（上面温度高，膨胀大），或中凸形状（桶型，使活塞上、下运动均可以得到良好润滑），目的是补偿裙部的椭圆变形。
活塞裙部产生变形的主要原因：①金属受热膨胀不均匀；②燃气作用力使裙部沿销轴向外扩展；③侧向力作用使裙部变形，销轴方向伸长。裙部工作时产生椭圆形变形，与气缸间隙不均匀。裙部变形防止措施：车用汽油机: ①裙部开П形或T形弹性槽；②在销座上安装“恒范钢片”，牵制热膨胀。柴油机活塞裙部变形防止措施：①裙部镶入圆筒式钢片；②将裙部作成倒椭圆；③高度方向上，直径上小下大。最好是中凸形，润滑良好。
活塞上还有一个用来安装活塞销的位置叫做活塞销座，如图7所示。作用：将活塞承受的气体作用力经活塞销传给连杆。活塞销轴线通常位于活塞中心平面内。高速汽油机通常采用偏心布置，减小活塞在上止点附近侧压力换向时产生的敲击噪声。如下图所示。这种设计在高端一点的空压机产品中也有应用。
1.1.2活塞环分为气环和油环两种。活塞环材料：有铸铁和钢两种。经常镀多孔性铬、喷钼，或镀锡、磷化等。
气环也称压缩环，主要功能：1）密封，阻止气缸中高温、高压气体漏入曲轴箱；2）传热，将活塞顶部的热量传给气缸壁。气环按照截面的形状可以分为以下几类：1）微锥面环：磨合性好，锥角通常在30'～60'的范围内，配时不能装反，否则机油消耗量成倍增长，夏利轿车发动机第二道气环为微锥面环；2）扭曲环：密封性与磨合性都较好；3)梯形环：抗结胶性好，顶角通常为15°，具有自动清除积碳的作用，一般用于强化柴油机的第一环；4)桶面环：外圆面为凸圆弧形，工作时圆弧接触。抗拉缸性好，环的上下两面都为楔形，容易形成液体润滑。夏利轿车发动机、富康轿车发动机第一道气环均为桶面环，捷达轿车发动机第一道气环为桶面扭曲环。
油环主要功能：布油和刮油； 上行布油，下行刮油。
油环按照结构分为三种：a.普通油环；b.带胀圈的油环；c.带卷簧胀圈的油环。捷达、夏利轿车发动机均使用组合油环。按照截面形状可以分为以下五种：1）组合式；2）螺旋衬簧式；3）切槽式；4）倒角方向相同；5）4）倒角方向不同。
1.1.3活塞销主要功用为连接、传力，故要求活塞销有足够的刚度和疲劳强度，表面耐磨性要好。活塞销结构多是空心圆柱体，配合形式多为“全浮式”—动配合，一般采用挡圈轴向定位。活塞销的装配注意事项：为保证工作时在高温状态下活塞销与销座孔之间的间隙适当，有些发动机在室温下活塞销座与活塞销之间为过盈配合，装配前需要将活塞加热至70～90°后，再将活塞销轻轻推入销座。有些活塞销冷态装配，不需加热活塞，但需根据活塞销孔和活塞销尺寸进行分组装配。
1.2连杆组的主要作用为：①传递力; ②运动转换。连杆组一般由连杆体、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓等组成。工作条件：承受冲击性交变载荷。制作材料常用有较高疲劳强度和冲击韧性的中碳钢和合金钢。
连杆组成部分分三部分：①连杆小头: 薄壁圆环形，内装薄壁铜套，飞溅润滑；②连杆身：长杆件, 一般连杆都将横断面设计成工字型，小头、大头大圆弧过度避免应力集中，分别连接活塞组件和曲柄组件；③连杆大头：为装配需要成分开式的，采用平切口或斜切口。连杆大头切口定位措施有：①锯齿定位；②圆销定位；③套筒定位；④止口定位。连杆大头孔内轴瓦也做成分开式的，一般外层为钢质，内层浇铸耐磨合金层。
近年来发展出一种新型的“断口定位”方法。利用断口的自然断面进行定位，一汽大众捷达轿车EA113五气门发动机高碳锻钢连杆采用断口定位。连杆装配时，一般都以克为计量单位按连杆的大小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。
V型和W型的内燃机连杆的结构形式和直列型的略有不同，空压机的连杆同样也遵循这个规律。
2. 曲柄飞轮组：主要由曲轴、飞轮、平衡重、减振器及传动齿轮等组成。
2.1曲轴主要功用：1)将连杆传来的力转变成转矩输送给车辆传动装置；2)驱动配气机构；3)驱动其他辅助装置。曲轴由前端(自由端)、后端(功率输出端)及若干个曲柄组成。前端：阶梯式轴段，装有传动齿轮、皮带轮、密封件等某些装有扭转减振器。曲轴后端：功率输出端。结构: 法兰盘或花键。曲柄:又称曲拐，由曲柄销、曲柄臂、主轴颈组成。
内燃机曲柄布置形式，现在多为直列的3缸，4缸；V列的6缸，8缸；还有极少数的W型的12缸，如图14所示。曲柄数与缸数及排列型式有关:直列式与缸数相等；V形为缸数一半。
W型发动机的曲轴结构复杂，左、右排汽缸分别布置在不同的曲拐上，每个拐上还以错拐的形式安装了两个连杆。
曲柄根据主轴颈数不同，分为全支承及非全支承。曲轴轴颈结构多为中空的，减小质量及离心力；为了减少应力集中，主轴颈、曲柄销与曲柄臂连接处采用过渡圆弧，如图14所示。曲柄的平衡重是用来平衡旋转离心力及力矩，或平衡往复惯性力及力矩的设计。平衡重的布置与缸数、气缸排列及曲轴形状等有关。
曲轴的形状即各曲柄之间相对位置，即曲柄夹角θ。θ与缸数、气缸排列及冲程数有关。在确定曲柄夹角θ值时要考虑以下几个主要因素：1）为使发动机工作平稳，各缸着火间隔角尽可能相等。例如四缸机应为180°，三缸机为240°；2）为了减轻主轴径和主轴承载荷，相邻两缸尽量不连续着火；3）发动机平衡性好；4)对于V型发动机，要考虑左右两缸交替发火。
2.2飞轮主要功用：①储能及释放能量；②减小角速度不均匀性；③使输出转矩均匀；④利于内燃机起动与车辆起步。结构形式：①质量多集中在轮缘——为使转动惯量较大而质量较小；②一般飞轮外装齿圈，与起动电机啮合；③飞轮上往往刻有各种定时记号以便调整有关相位。
四、曲柄连杆机构的受力情况
1、燃气作用力：Pg＝πD2（p-p'）/4
2、摩擦力忽略不计，因为它的数值较小。
3、惯性力：
3.1 往复运动惯性力Pj为（推导过程略）Pj＝mj（Rω2cosα＋Rω2λcos2α） = Pj1+Pj2Pj的作用方向沿气缸中心线，或正或负；
3.2 旋转运动惯性力(或称旋转离心力) Pr＝mrRω2Pr的作用方向总是沿曲柄向外活塞上总作用力PΣ的分解与传递。
作用在曲柄连杆机构上的力有Pg、Pj、Pr，对于多缸机，还有其形成的力矩。其中Pg在机体内部达到平衡；侧压力所形成的反转矩M’无法平衡(证明略)，将传递到发动机的支架上。Pj与Pr随α的变动呈周期性变化，这些力与力矩不断传递到机体外的支点，引起内燃机振动。
振动会使车内乘员疲劳，使支架损坏和连接件松动，严重时引起事故。必须对不平衡的力和力矩采用一些措施，使其达到平衡或将振动减低到最小程度。
五、结语
内燃机行业相对于空压机行业来说工业布局比较早，相对比较成熟，对于某些通用的原理和机构研究、应用的也比较成熟。希望我们通过差异化对比学习，可以设计出更好的空压机产品来。
参考文献
[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 化学工业出版社. 2007
[2] 于惠力. 机械零部件设计禁忌[M]. 机械工业出版社. 2006
[3] 陆宁. 机械原理[M].机械工业出版社. 1997
[4] 刘永长. 内燃机原理[M]. 华中理工大学. 1992
[5] 全兴信. 内燃机学[M]. 机械工业出版社. 2016
作者简介
吴广忠（1980--），男，汉族，山东省青岛市人，大学本科（工学学士），毕业于青岛科技大学，中级工程师，研究方向：空气nianxiangyuan
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来源：本站原创
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