【壓縮機(jī)網(wǎng)】一、引言
首先給大家介紹一下曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的功用：1)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；2)活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變成曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；3)向相關(guān)傳動(dòng)裝置輸出連續(xù)的動(dòng)力。
二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作條件
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)重要部件，影響動(dòng)力性和可靠性；零件數(shù)多，涉及面廣。它的相對(duì)工作條件比較復(fù)雜，一般有以下幾點(diǎn)：
1.熱負(fù)荷高，燃?xì)庾罡邷囟冗_(dá)2000～2500℃以上，活塞等300℃以上；
2.機(jī)械負(fù)荷大：a.燃?xì)鈮毫Γ焊哌_(dá)5～9MPa，增壓機(jī)15MPa；b.慣性力:一是往復(fù)慣性力，由活塞變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；二是旋轉(zhuǎn)慣性力，曲柄質(zhì)量不平衡形成離心力；慣性力約為其本身運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的300～1000倍；c．側(cè)向作用力，燃?xì)鈮毫εc往復(fù)慣性力合力的分力；
3.高速：汽油機(jī)4000～6000rpm，柴油機(jī)2000～4000rpm，活塞平均速度Cm = 7.5-12.5m/s。
4.強(qiáng)烈磨損和腐蝕
a．磨損存在于各摩擦副間，作用力大，相對(duì)速度高，磨損嚴(yán)重，缸壁與活塞摩擦耗功約占摩擦耗功50％左右；b．腐蝕：燃?xì)狻O2等主要腐蝕活塞頂、缸蓋底平面及缸套內(nèi)表面；冷卻水：腐蝕缸套外表面；
三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組成
圖1是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的基本組成，如果按照大類分就是曲柄飛輪組件和活塞連桿組件兩部分。
1.活塞連桿組：主要由活塞組和連桿組兩部分組成，如圖2所示。這點(diǎn)和空壓機(jī)基本上是一致的。那么到底和空壓機(jī)有哪些不一樣呢？我們來(lái)往下逐級(jí)細(xì)分一下看看吧！
1.1活塞組的主要作用為：①組成可變的工作容積；②承受燃?xì)鈮毫Σ髦吝B桿；③散熱。活塞組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等零件組成。
1.1.1活塞工作條件一般為高溫、高壓、高速、磨損強(qiáng)烈，所以要求活塞的制作材料高溫強(qiáng)度好且密度小、膨脹系數(shù)小、耐磨、導(dǎo)熱性好。一般為鑄鐵或鋁合金，這點(diǎn)選材上和空壓機(jī)也基本上一樣。接下來(lái)我們看一下活塞的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖3所示。
活塞的結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要有：頂部——組成燃燒室的主要部分；頭部——環(huán)帶部，又稱密封部；裙部——導(dǎo)向部位，承受側(cè)作用力。
如圖4所示是6種常見(jiàn)形式的活塞頂部，其中a款式和我們空壓機(jī)常見(jiàn)的活塞頂部形式是一樣的，其他5款完全不一樣。個(gè)人理解是空壓機(jī)更加注重將動(dòng)力能量轉(zhuǎn)換成蓄勢(shì)的空氣能，更加注重空氣的壓縮和壓縮效率。下面我們大體來(lái)了解一下不同結(jié)構(gòu)活塞頂部的設(shè)計(jì)意圖，這個(gè)點(diǎn)也是和空壓機(jī)的設(shè)計(jì)有所差異的一個(gè)地方。
活塞頂部設(shè)計(jì)成非平面狀，粗略的分析一般有以下幾個(gè)原因：1）增大與燃燒氣體的接觸面積，提高吸熱面積；2）避開(kāi)頂部的運(yùn)動(dòng)部件，如氣門(mén)；3）為了保證燃燒室的有效容積，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要。
活塞銷座以上，活塞頂部以下稱之為活塞頭部，如圖5所示，這個(gè)區(qū)域主要與活塞環(huán)配合。主要作用為密封——用以阻止氣體進(jìn)入曲軸箱、機(jī)油進(jìn)入燃燒室，和導(dǎo)熱——用以將頂部吸收的熱量大部分由頭部傳給汽缸。活塞環(huán)和環(huán)槽的設(shè)計(jì)是有一定原則的，活塞環(huán)數(shù)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和氣缸最高壓力。高速發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)數(shù)少，汽油機(jī)環(huán)數(shù)比柴油機(jī)少。一般汽油機(jī)采用2道氣環(huán)、1道油環(huán)；柴油機(jī)為3道氣環(huán)、1道油環(huán)；低速柴油機(jī)采用3～4道氣環(huán)。環(huán)數(shù)減少則摩擦損失小。對(duì)于環(huán)槽，工作過(guò)程中活塞環(huán)溫度高，鋁合金活塞受高溫硬度下降、易磨損，為了提高環(huán)槽的磨損壽命，一般會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)槽護(hù)圈。環(huán)槽護(hù)圈一般采用熱膨脹系數(shù)與鋁合金接近的奧氏體鑄鐵，可使環(huán)槽的壽命提高3～5倍。既然活塞頭部是整個(gè)熱量的聚集區(qū)，那么我們?cè)趺丛O(shè)計(jì)去降低活塞頭部的熱力負(fù)荷呢？ 一般有以下三點(diǎn)措施：1）第一道環(huán)槽上方的隔熱槽；2）頭部增厚，使頂部吸的熱易通過(guò)氣環(huán)傳走；3）頂部噴油冷卻：自由噴射冷卻；冷卻油腔強(qiáng)制冷卻（一般第一環(huán)槽溫度不應(yīng)超過(guò)225℃）。
活塞組的最后一個(gè)組成部分是活塞裙帶，如圖6所示。它的主要作用是導(dǎo)向、承受側(cè)作用力。設(shè)計(jì)時(shí)一般要求裙部與汽缸間間隙盡量小；裙部橫截面一般呈橢圓形，活塞銷方向?yàn)槎梯S；縱截面呈上小、下大（上面溫度高，膨脹大），或中凸形狀（桶型，使活塞上、下運(yùn)動(dòng)均可以得到良好潤(rùn)滑），目的是補(bǔ)償裙部的橢圓變形。
活塞裙部產(chǎn)生變形的主要原因：①金屬受熱膨脹不均勻；②燃?xì)庾饔昧κ谷共垦劁N軸向外擴(kuò)展；③側(cè)向力作用使裙部變形，銷軸方向伸長(zhǎng)。裙部工作時(shí)產(chǎn)生橢圓形變形，與氣缸間隙不均勻。裙部變形防止措施：車(chē)用汽油機(jī): ①裙部開(kāi)П形或T形彈性槽；②在銷座上安裝“恒范鋼片”，牽制熱膨脹。柴油機(jī)活塞裙部變形防止措施：①裙部鑲?cè)雸A筒式鋼片；②將裙部作成倒橢圓；③高度方向上，直徑上小下大。最好是中凸形，潤(rùn)滑良好。
活塞上還有一個(gè)用來(lái)安裝活塞銷的位置叫做活塞銷座，如圖7所示。作用：將活塞承受的氣體作用力經(jīng)活塞銷傳給連桿。活塞銷軸線通常位于活塞中心平面內(nèi)。高速汽油機(jī)通常采用偏心布置，減小活塞在上止點(diǎn)附近側(cè)壓力換向時(shí)產(chǎn)生的敲擊噪聲。如下圖所示。這種設(shè)計(jì)在高端一點(diǎn)的空壓機(jī)產(chǎn)品中也有應(yīng)用。
1.1.2活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩種。活塞環(huán)材料：有鑄鐵和鋼兩種。經(jīng)常鍍多孔性鉻、噴鉬，或鍍錫、磷化等。
氣環(huán)也稱壓縮環(huán)，主要功能：1）密封，阻止氣缸中高溫、高壓氣體漏入曲軸箱；2）傳熱，將活塞頂部的熱量傳給氣缸壁。氣環(huán)按照截面的形狀可以分為以下幾類：1）微錐面環(huán)：磨合性好，錐角通常在30'～60'的范圍內(nèi)，配時(shí)不能裝反，否則機(jī)油消耗量成倍增長(zhǎng)，夏利轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)第二道氣環(huán)為微錐面環(huán)；2）扭曲環(huán)：密封性與磨合性都較好；3)梯形環(huán)：抗結(jié)膠性好，頂角通常為15°，具有自動(dòng)清除積碳的作用，一般用于強(qiáng)化柴油機(jī)的第一環(huán)；4)桶面環(huán)：外圓面為凸圓弧形，工作時(shí)圓弧接觸。抗拉缸性好，環(huán)的上下兩面都為楔形，容易形成液體潤(rùn)滑。夏利轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、富康轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)第一道氣環(huán)均為桶面環(huán)，捷達(dá)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)第一道氣環(huán)為桶面扭曲環(huán)。
油環(huán)主要功能：布油和刮油； 上行布油，下行刮油。
油環(huán)按照結(jié)構(gòu)分為三種：a.普通油環(huán)；b.帶脹圈的油環(huán)；c.帶卷簧脹圈的油環(huán)。捷達(dá)、夏利轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)均使用組合油環(huán)。按照截面形狀可以分為以下五種：1）組合式；2）螺旋襯簧式；3）切槽式；4）倒角方向相同；5）4）倒角方向不同。
1.1.3活塞銷主要功用為連接、傳力，故要求活塞銷有足夠的剛度和疲勞強(qiáng)度，表面耐磨性要好。活塞銷結(jié)構(gòu)多是空心圓柱體，配合形式多為“全浮式”—動(dòng)配合，一般采用擋圈軸向定位。活塞銷的裝配注意事項(xiàng)：為保證工作時(shí)在高溫狀態(tài)下活塞銷與銷座孔之間的間隙適當(dāng)，有些發(fā)動(dòng)機(jī)在室溫下活塞銷座與活塞銷之間為過(guò)盈配合，裝配前需要將活塞加熱至70～90°后，再將活塞銷輕輕推入銷座。有些活塞銷冷態(tài)裝配，不需加熱活塞，但需根據(jù)活塞銷孔和活塞銷尺寸進(jìn)行分組裝配。
1.2連桿組的主要作用為：①傳遞力; ②運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。連桿組一般由連桿體、連桿蓋、連桿襯套、連桿軸瓦、連桿螺栓等組成。工作條件：承受沖擊性交變載荷。制作材料常用有較高疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性的中碳鋼和合金鋼。
連桿組成部分分三部分：①連桿小頭: 薄壁圓環(huán)形，內(nèi)裝薄壁銅套，飛濺潤(rùn)滑；②連桿身：長(zhǎng)桿件, 一般連桿都將橫斷面設(shè)計(jì)成工字型，小頭、大頭大圓弧過(guò)度避免應(yīng)力集中，分別連接活塞組件和曲柄組件；③連桿大頭：為裝配需要成分開(kāi)式的，采用平切口或斜切口。連桿大頭切口定位措施有：①鋸齒定位；②圓銷定位；③套筒定位；④止口定位。連桿大頭孔內(nèi)軸瓦也做成分開(kāi)式的，一般外層為鋼質(zhì)，內(nèi)層澆鑄耐磨合金層。
近年來(lái)發(fā)展出一種新型的“斷口定位”方法。利用斷口的自然斷面進(jìn)行定位，一汽大眾捷達(dá)轎車(chē)EA113五氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)高碳鍛鋼連桿采用斷口定位。連桿裝配時(shí)，一般都以克為計(jì)量單位按連桿的大小頭質(zhì)量分組，同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選用同一組連桿。
V型和W型的內(nèi)燃機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)形式和直列型的略有不同，空壓機(jī)的連桿同樣也遵循這個(gè)規(guī)律。
2. 曲柄飛輪組：主要由曲軸、飛輪、平衡重、減振器及傳動(dòng)齒輪等組成。
2.1曲軸主要功用：1)將連桿傳來(lái)的力轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩輸送給車(chē)輛傳動(dòng)裝置；2)驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)；3)驅(qū)動(dòng)其他輔助裝置。曲軸由前端(自由端)、后端(功率輸出端)及若干個(gè)曲柄組成。前端：階梯式軸段，裝有傳動(dòng)齒輪、皮帶輪、密封件等某些裝有扭轉(zhuǎn)減振器。曲軸后端：功率輸出端。結(jié)構(gòu): 法蘭盤(pán)或花鍵。曲柄:又稱曲拐，由曲柄銷、曲柄臂、主軸頸組成。
內(nèi)燃機(jī)曲柄布置形式，現(xiàn)在多為直列的3缸，4缸；V列的6缸，8缸；還有極少數(shù)的W型的12缸，如圖14所示。曲柄數(shù)與缸數(shù)及排列型式有關(guān):直列式與缸數(shù)相等；V形為缸數(shù)一半。
W型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，左、右排汽缸分別布置在不同的曲拐上，每個(gè)拐上還以錯(cuò)拐的形式安裝了兩個(gè)連桿。
曲柄根據(jù)主軸頸數(shù)不同，分為全支承及非全支承。曲軸軸頸結(jié)構(gòu)多為中空的，減小質(zhì)量及離心力；為了減少應(yīng)力集中，主軸頸、曲柄銷與曲柄臂連接處采用過(guò)渡圓弧，如圖14所示。曲柄的平衡重是用來(lái)平衡旋轉(zhuǎn)離心力及力矩，或平衡往復(fù)慣性力及力矩的設(shè)計(jì)。平衡重的布置與缸數(shù)、氣缸排列及曲軸形狀等有關(guān)。
曲軸的形狀即各曲柄之間相對(duì)位置，即曲柄夾角θ。θ與缸數(shù)、氣缸排列及沖程數(shù)有關(guān)。在確定曲柄夾角θ值時(shí)要考慮以下幾個(gè)主要因素：1）為使發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，各缸著火間隔角盡可能相等。例如四缸機(jī)應(yīng)為180°，三缸機(jī)為240°；2）為了減輕主軸徑和主軸承載荷，相鄰兩缸盡量不連續(xù)著火；3）發(fā)動(dòng)機(jī)平衡性好；4)對(duì)于V型發(fā)動(dòng)機(jī)，要考慮左右兩缸交替發(fā)火。
2.2飛輪主要功用：①儲(chǔ)能及釋放能量；②減小角速度不均勻性；③使輸出轉(zhuǎn)矩均勻；④利于內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)與車(chē)輛起步。結(jié)構(gòu)形式：①質(zhì)量多集中在輪緣——為使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大而質(zhì)量較小；②一般飛輪外裝齒圈，與起動(dòng)電機(jī)嚙合；③飛輪上往往刻有各種定時(shí)記號(hào)以便調(diào)整有關(guān)相位。
四、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力情況
1、燃?xì)庾饔昧Γ篜g＝πD2（p-p'）/4
2、摩擦力忽略不計(jì)，因?yàn)樗臄?shù)值較小。
3、慣性力：
3.1 往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力Pj為（推導(dǎo)過(guò)程略）Pj＝mj（Rω2cosα＋Rω2λcos2α） = Pj1+Pj2Pj的作用方向沿氣缸中心線，或正或負(fù)；
3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性力(或稱旋轉(zhuǎn)離心力) Pr＝mrRω2Pr的作用方向總是沿曲柄向外活塞上總作用力PΣ的分解與傳遞。
作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力有Pg、Pj、Pr，對(duì)于多缸機(jī)，還有其形成的力矩。其中Pg在機(jī)體內(nèi)部達(dá)到平衡；側(cè)壓力所形成的反轉(zhuǎn)矩M’無(wú)法平衡(證明略)，將傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的支架上。Pj與Pr隨α的變動(dòng)呈周期性變化，這些力與力矩不斷傳遞到機(jī)體外的支點(diǎn)，引起內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)。
振動(dòng)會(huì)使車(chē)內(nèi)乘員疲勞，使支架損壞和連接件松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引起事故。必須對(duì)不平衡的力和力矩采用一些措施，使其達(dá)到平衡或?qū)⒄駝?dòng)減低到最小程度。
五、結(jié)語(yǔ)
內(nèi)燃機(jī)行業(yè)相對(duì)于空壓機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)工業(yè)布局比較早，相對(duì)比較成熟，對(duì)于某些通用的原理和機(jī)構(gòu)研究、應(yīng)用的也比較成熟。希望我們通過(guò)差異化對(duì)比學(xué)習(xí)，可以設(shè)計(jì)出更好的空壓機(jī)產(chǎn)品來(lái)。
參考文獻(xiàn)
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[2] 于惠力. 機(jī)械零部件設(shè)計(jì)禁忌[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2006
[3] 陸寧. 機(jī)械原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社. 1997
[4] 劉永長(zhǎng). 內(nèi)燃機(jī)原理[M]. 華中理工大學(xué). 1992
[5] 全興信. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2016
作者簡(jiǎn)介
吳廣忠（1980--），男，漢族，山東省青島市人，大學(xué)本科（工學(xué)學(xué)士），畢業(yè)于青島科技大學(xué)，中級(jí)工程師，研究方向：空氣壓縮機(jī)。
來(lái)源：本站原創(chuàng)
【壓縮機(jī)網(wǎng)】一、引言
首先給大家介紹一下曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的功用：1)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；2)活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變成曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；3)向相關(guān)傳動(dòng)裝置輸出連續(xù)的動(dòng)力。
二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作條件
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)重要部件，影響動(dòng)力性和可靠性；零件數(shù)多，涉及面廣。它的相對(duì)工作條件比較復(fù)雜，一般有以下幾點(diǎn)：
1.熱負(fù)荷高，燃?xì)庾罡邷囟冗_(dá)2000～2500℃以上，活塞等300℃以上；
2.機(jī)械負(fù)荷大：a.燃?xì)鈮毫Γ焊哌_(dá)5～9MPa，增壓機(jī)15MPa；b.慣性力:一是往復(fù)慣性力，由活塞變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；二是旋轉(zhuǎn)慣性力，曲柄質(zhì)量不平衡形成離心力；慣性力約為其本身運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的300～1000倍；c．側(cè)向作用力，燃?xì)鈮毫εc往復(fù)慣性力合力的分力；
3.高速：汽油機(jī)4000～6000rpm，柴油機(jī)2000～4000rpm，活塞平均速度Cm = 7.5-12.5m/s。
4.強(qiáng)烈磨損和腐蝕
a．磨損存在于各摩擦副間，作用力大，相對(duì)速度高，磨損嚴(yán)重，缸壁與活塞摩擦耗功約占摩擦耗功50％左右；b．腐蝕：燃?xì)狻O2等主要腐蝕活塞頂、缸蓋底平面及缸套內(nèi)表面；冷卻水：腐蝕缸套外表面；
三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組成
圖1是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的基本組成，如果按照大類分就是曲柄飛輪組件和活塞連桿組件兩部分。
1.活塞連桿組：主要由活塞組和連桿組兩部分組成，如圖2所示。這點(diǎn)和空壓機(jī)基本上是一致的。那么到底和空壓機(jī)有哪些不一樣呢？我們來(lái)往下逐級(jí)細(xì)分一下看看吧！
1.1活塞組的主要作用為：①組成可變的工作容積；②承受燃?xì)鈮毫Σ髦吝B桿；③散熱。活塞組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等零件組成。
1.1.1活塞工作條件一般為高溫、高壓、高速、磨損強(qiáng)烈，所以要求活塞的制作材料高溫強(qiáng)度好且密度小、膨脹系數(shù)小、耐磨、導(dǎo)熱性好。一般為鑄鐵或鋁合金，這點(diǎn)選材上和空壓機(jī)也基本上一樣。接下來(lái)我們看一下活塞的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖3所示。
活塞的結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要有：頂部——組成燃燒室的主要部分；頭部——環(huán)帶部，又稱密封部；裙部——導(dǎo)向部位，承受側(cè)作用力。
如圖4所示是6種常見(jiàn)形式的活塞頂部，其中a款式和我們空壓機(jī)常見(jiàn)的活塞頂部形式是一樣的，其他5款完全不一樣。個(gè)人理解是空壓機(jī)更加注重將動(dòng)力能量轉(zhuǎn)換成蓄勢(shì)的空氣能，更加注重空氣的壓縮和壓縮效率。下面我們大體來(lái)了解一下不同結(jié)構(gòu)活塞頂部的設(shè)計(jì)意圖，這個(gè)點(diǎn)也是和空壓機(jī)的設(shè)計(jì)有所差異的一個(gè)地方。
活塞頂部設(shè)計(jì)成非平面狀，粗略的分析一般有以下幾個(gè)原因：1）增大與燃燒氣體的接觸面積，提高吸熱面積；2）避開(kāi)頂部的運(yùn)動(dòng)部件，如氣門(mén)；3）為了保證燃燒室的有效容積，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要。
活塞銷座以上，活塞頂部以下稱之為活塞頭部，如圖5所示，這個(gè)區(qū)域主要與活塞環(huán)配合。主要作用為密封——用以阻止氣體進(jìn)入曲軸箱、機(jī)油進(jìn)入燃燒室，和導(dǎo)熱——用以將頂部吸收的熱量大部分由頭部傳給汽缸。活塞環(huán)和環(huán)槽的設(shè)計(jì)是有一定原則的，活塞環(huán)數(shù)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和氣缸最高壓力。高速發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)數(shù)少，汽油機(jī)環(huán)數(shù)比柴油機(jī)少。一般汽油機(jī)采用2道氣環(huán)、1道油環(huán)；柴油機(jī)為3道氣環(huán)、1道油環(huán)；低速柴油機(jī)采用3～4道氣環(huán)。環(huán)數(shù)減少則摩擦損失小。對(duì)于環(huán)槽，工作過(guò)程中活塞環(huán)溫度高，鋁合金活塞受高溫硬度下降、易磨損，為了提高環(huán)槽的磨損壽命，一般會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)槽護(hù)圈。環(huán)槽護(hù)圈一般采用熱膨脹系數(shù)與鋁合金接近的奧氏體鑄鐵，可使環(huán)槽的壽命提高3～5倍。既然活塞頭部是整個(gè)熱量的聚集區(qū)，那么我們?cè)趺丛O(shè)計(jì)去降低活塞頭部的熱力負(fù)荷呢？ 一般有以下三點(diǎn)措施：1）第一道環(huán)槽上方的隔熱槽；2）頭部增厚，使頂部吸的熱易通過(guò)氣環(huán)傳走；3）頂部噴油冷卻：自由噴射冷卻；冷卻油腔強(qiáng)制冷卻（一般第一環(huán)槽溫度不應(yīng)超過(guò)225℃）。
活塞組的最后一個(gè)組成部分是活塞裙帶，如圖6所示。它的主要作用是導(dǎo)向、承受側(cè)作用力。設(shè)計(jì)時(shí)一般要求裙部與汽缸間間隙盡量小；裙部橫截面一般呈橢圓形，活塞銷方向?yàn)槎梯S；縱截面呈上小、下大（上面溫度高，膨脹大），或中凸形狀（桶型，使活塞上、下運(yùn)動(dòng)均可以得到良好潤(rùn)滑），目的是補(bǔ)償裙部的橢圓變形。
活塞裙部產(chǎn)生變形的主要原因：①金屬受熱膨脹不均勻；②燃?xì)庾饔昧κ谷共垦劁N軸向外擴(kuò)展；③側(cè)向力作用使裙部變形，銷軸方向伸長(zhǎng)。裙部工作時(shí)產(chǎn)生橢圓形變形，與氣缸間隙不均勻。裙部變形防止措施：車(chē)用汽油機(jī): ①裙部開(kāi)П形或T形彈性槽；②在銷座上安裝“恒范鋼片”，牽制熱膨脹。柴油機(jī)活塞裙部變形防止措施：①裙部鑲?cè)雸A筒式鋼片；②將裙部作成倒橢圓；③高度方向上，直徑上小下大。最好是中凸形，潤(rùn)滑良好。
活塞上還有一個(gè)用來(lái)安裝活塞銷的位置叫做活塞銷座，如圖7所示。作用：將活塞承受的氣體作用力經(jīng)活塞銷傳給連桿。活塞銷軸線通常位于活塞中心平面內(nèi)。高速汽油機(jī)通常采用偏心布置，減小活塞在上止點(diǎn)附近側(cè)壓力換向時(shí)產(chǎn)生的敲擊噪聲。如下圖所示。這種設(shè)計(jì)在高端一點(diǎn)的空壓機(jī)產(chǎn)品中也有應(yīng)用。
1.1.2活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩種。活塞環(huán)材料：有鑄鐵和鋼兩種。經(jīng)常鍍多孔性鉻、噴鉬，或鍍錫、磷化等。
氣環(huán)也稱壓縮環(huán)，主要功能：1）密封，阻止氣缸中高溫、高壓氣體漏入曲軸箱；2）傳熱，將活塞頂部的熱量傳給氣缸壁。氣環(huán)按照截面的形狀可以分為以下幾類：1）微錐面環(huán)：磨合性好，錐角通常在30'～60'的范圍內(nèi)，配時(shí)不能裝反，否則機(jī)油消耗量成倍增長(zhǎng)，夏利轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)第二道氣環(huán)為微錐面環(huán)；2）扭曲環(huán)：密封性與磨合性都較好；3)梯形環(huán)：抗結(jié)膠性好，頂角通常為15°，具有自動(dòng)清除積碳的作用，一般用于強(qiáng)化柴油機(jī)的第一環(huán)；4)桶面環(huán)：外圓面為凸圓弧形，工作時(shí)圓弧接觸。抗拉缸性好，環(huán)的上下兩面都為楔形，容易形成液體潤(rùn)滑。夏利轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、富康轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)第一道氣環(huán)均為桶面環(huán)，捷達(dá)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)第一道氣環(huán)為桶面扭曲環(huán)。
油環(huán)主要功能：布油和刮油； 上行布油，下行刮油。
油環(huán)按照結(jié)構(gòu)分為三種：a.普通油環(huán)；b.帶脹圈的油環(huán)；c.帶卷簧脹圈的油環(huán)。捷達(dá)、夏利轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)均使用組合油環(huán)。按照截面形狀可以分為以下五種：1）組合式；2）螺旋襯簧式；3）切槽式；4）倒角方向相同；5）4）倒角方向不同。
1.1.3活塞銷主要功用為連接、傳力，故要求活塞銷有足夠的剛度和疲勞強(qiáng)度，表面耐磨性要好。活塞銷結(jié)構(gòu)多是空心圓柱體，配合形式多為“全浮式”—動(dòng)配合，一般采用擋圈軸向定位。活塞銷的裝配注意事項(xiàng)：為保證工作時(shí)在高溫狀態(tài)下活塞銷與銷座孔之間的間隙適當(dāng)，有些發(fā)動(dòng)機(jī)在室溫下活塞銷座與活塞銷之間為過(guò)盈配合，裝配前需要將活塞加熱至70～90°后，再將活塞銷輕輕推入銷座。有些活塞銷冷態(tài)裝配，不需加熱活塞，但需根據(jù)活塞銷孔和活塞銷尺寸進(jìn)行分組裝配。
1.2連桿組的主要作用為：①傳遞力; ②運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。連桿組一般由連桿體、連桿蓋、連桿襯套、連桿軸瓦、連桿螺栓等組成。工作條件：承受沖擊性交變載荷。制作材料常用有較高疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性的中碳鋼和合金鋼。
連桿組成部分分三部分：①連桿小頭: 薄壁圓環(huán)形，內(nèi)裝薄壁銅套，飛濺潤(rùn)滑；②連桿身：長(zhǎng)桿件, 一般連桿都將橫斷面設(shè)計(jì)成工字型，小頭、大頭大圓弧過(guò)度避免應(yīng)力集中，分別連接活塞組件和曲柄組件；③連桿大頭：為裝配需要成分開(kāi)式的，采用平切口或斜切口。連桿大頭切口定位措施有：①鋸齒定位；②圓銷定位；③套筒定位；④止口定位。連桿大頭孔內(nèi)軸瓦也做成分開(kāi)式的，一般外層為鋼質(zhì)，內(nèi)層澆鑄耐磨合金層。
近年來(lái)發(fā)展出一種新型的“斷口定位”方法。利用斷口的自然斷面進(jìn)行定位，一汽大眾捷達(dá)轎車(chē)EA113五氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)高碳鍛鋼連桿采用斷口定位。連桿裝配時(shí)，一般都以克為計(jì)量單位按連桿的大小頭質(zhì)量分組，同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選用同一組連桿。
V型和W型的內(nèi)燃機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)形式和直列型的略有不同，空壓機(jī)的連桿同樣也遵循這個(gè)規(guī)律。
2. 曲柄飛輪組：主要由曲軸、飛輪、平衡重、減振器及傳動(dòng)齒輪等組成。
2.1曲軸主要功用：1)將連桿傳來(lái)的力轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩輸送給車(chē)輛傳動(dòng)裝置；2)驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)；3)驅(qū)動(dòng)其他輔助裝置。曲軸由前端(自由端)、后端(功率輸出端)及若干個(gè)曲柄組成。前端：階梯式軸段，裝有傳動(dòng)齒輪、皮帶輪、密封件等某些裝有扭轉(zhuǎn)減振器。曲軸后端：功率輸出端。結(jié)構(gòu): 法蘭盤(pán)或花鍵。曲柄:又稱曲拐，由曲柄銷、曲柄臂、主軸頸組成。
內(nèi)燃機(jī)曲柄布置形式，現(xiàn)在多為直列的3缸，4缸；V列的6缸，8缸；還有極少數(shù)的W型的12缸，如圖14所示。曲柄數(shù)與缸數(shù)及排列型式有關(guān):直列式與缸數(shù)相等；V形為缸數(shù)一半。
W型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，左、右排汽缸分別布置在不同的曲拐上，每個(gè)拐上還以錯(cuò)拐的形式安裝了兩個(gè)連桿。
曲柄根據(jù)主軸頸數(shù)不同，分為全支承及非全支承。曲軸軸頸結(jié)構(gòu)多為中空的，減小質(zhì)量及離心力；為了減少應(yīng)力集中，主軸頸、曲柄銷與曲柄臂連接處采用過(guò)渡圓弧，如圖14所示。曲柄的平衡重是用來(lái)平衡旋轉(zhuǎn)離心力及力矩，或平衡往復(fù)慣性力及力矩的設(shè)計(jì)。平衡重的布置與缸數(shù)、氣缸排列及曲軸形狀等有關(guān)。
曲軸的形狀即各曲柄之間相對(duì)位置，即曲柄夾角θ。θ與缸數(shù)、氣缸排列及沖程數(shù)有關(guān)。在確定曲柄夾角θ值時(shí)要考慮以下幾個(gè)主要因素：1）為使發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，各缸著火間隔角盡可能相等。例如四缸機(jī)應(yīng)為180°，三缸機(jī)為240°；2）為了減輕主軸徑和主軸承載荷，相鄰兩缸盡量不連續(xù)著火；3）發(fā)動(dòng)機(jī)平衡性好；4)對(duì)于V型發(fā)動(dòng)機(jī)，要考慮左右兩缸交替發(fā)火。
2.2飛輪主要功用：①儲(chǔ)能及釋放能量；②減小角速度不均勻性；③使輸出轉(zhuǎn)矩均勻；④利于內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)與車(chē)輛起步。結(jié)構(gòu)形式：①質(zhì)量多集中在輪緣——為使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大而質(zhì)量較小；②一般飛輪外裝齒圈，與起動(dòng)電機(jī)嚙合；③飛輪上往往刻有各種定時(shí)記號(hào)以便調(diào)整有關(guān)相位。
四、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力情況
1、燃?xì)庾饔昧Γ篜g＝πD2（p-p'）/4
2、摩擦力忽略不計(jì)，因?yàn)樗臄?shù)值較小。
3、慣性力：
3.1 往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力Pj為（推導(dǎo)過(guò)程略）Pj＝mj（Rω2cosα＋Rω2λcos2α） = Pj1+Pj2Pj的作用方向沿氣缸中心線，或正或負(fù)；
3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性力(或稱旋轉(zhuǎn)離心力) Pr＝mrRω2Pr的作用方向總是沿曲柄向外活塞上總作用力PΣ的分解與傳遞。
作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力有Pg、Pj、Pr，對(duì)于多缸機(jī)，還有其形成的力矩。其中Pg在機(jī)體內(nèi)部達(dá)到平衡；側(cè)壓力所形成的反轉(zhuǎn)矩M’無(wú)法平衡(證明略)，將傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的支架上。Pj與Pr隨α的變動(dòng)呈周期性變化，這些力與力矩不斷傳遞到機(jī)體外的支點(diǎn)，引起內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)。
振動(dòng)會(huì)使車(chē)內(nèi)乘員疲勞，使支架損壞和連接件松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引起事故。必須對(duì)不平衡的力和力矩采用一些措施，使其達(dá)到平衡或?qū)⒄駝?dòng)減低到最小程度。
五、結(jié)語(yǔ)
內(nèi)燃機(jī)行業(yè)相對(duì)于空壓機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)工業(yè)布局比較早，相對(duì)比較成熟，對(duì)于某些通用的原理和機(jī)構(gòu)研究、應(yīng)用的也比較成熟。希望我們通過(guò)差異化對(duì)比學(xué)習(xí)，可以設(shè)計(jì)出更好的空壓機(jī)產(chǎn)品來(lái)。
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作者簡(jiǎn)介
吳廣忠（1980--），男，漢族，山東省青島市人，大學(xué)本科（工學(xué)學(xué)士），畢業(yè)于青島科技大學(xué)，中級(jí)工程師，研究方向：空氣壓縮機(jī)。
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