连杆

连杆是将活塞连接到曲轴的活塞发动机的一部分。连杆与曲柄一起将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转。连杆需要传递来自活塞的压缩力和拉伸力。在其最常见的形式中，在内燃机中，它允许在活塞端枢转并在轴端旋转。连杆的前身是水磨机用来将水车的旋转运动转换为往复运动的机械联动装置。连杆最常见的用途是内燃机或蒸汽机。

连杆的最早证据出现在公元3世纪晚期的罗马希拉波利斯锯木厂。它也出现在两个6世纪的东罗马锯木厂中，分别在以弗所和Gerasa出土。这些罗马水车的曲柄和连杆机构将水车的旋转运动转化为锯片的直线运动。在文艺复兴时期的意大利，最早的证据——尽管在机械上被误解了——复合曲柄和连杆是在Taccola的速写本中找到的。画家Pisanello（卒于14​​55年）对所涉及的运动有很好的理解，他展示了一个由水轮驱动并由两个简单的曲柄和两个连杆操作的活塞泵。到了16世纪，在欧洲文艺复兴时期的技术论文和艺术品中，曲柄和连杆的证据变得丰富；仅阿戈斯蒂诺·拉梅利（AgostinoRamelli）的1588年的多样化和人工机器就描绘了18个例子，在GeorgAndreasBöckler的TheatrumMachinarumNovum中，这个数字上升到45种不同的机器。该设计的早期文档发生在公元1174年至1206年之间的某个时间，在Artuqid州（现代土耳其），当时发明家Al-Jazari描述了一种机器，该机器将连杆与曲轴结合起来，作为提水机的一部分来抽水。

1712年的纽科门大气发动机（xxx台蒸汽机）使用链传动而不是连杆，因为活塞只产生一个方向的力。然而，此后的大多数蒸汽机都是双作用的，因此在两个方向上都会产生力，从而导致使用连杆。典型的布置使用称为十字头的大型滑动轴承块，活塞和连杆之间的铰链位于气缸外部，需要在活塞杆周围进行密封。在蒸汽机车中，曲柄通常直接安装在驱动轮上。连杆用于车轮上的曲柄销和十字头（连接活塞杆的位置）之间。内燃机车上的等效连杆称为“侧杆”或“连杆”。在较小的蒸汽机车上，连杆通常具有矩形横截面，但偶尔也使用圆形横截面的船用型连杆。在明轮轮船上，连杆被称为“连杆”（不要被误认为连杆）。

内燃机的连杆由“大端”、“连杆”和“小端”（或“小端”）组成。小端连接到活塞销（也称为“活塞销”或“腕销”），它可以在活塞、连杆或两者中旋转。通常，大端使用滑动轴承连接到曲柄销以减少摩擦；然而，一些较小的发动机可能会使用滚动轴承，以避免需要泵送润滑系统。带有滚动元件轴承的连杆通常是一体式设计，曲轴必须通过它们压在一起，而不是可以用螺栓固定在一体式曲轴轴颈周围的两件式设计。通常在连杆的大端有一个穿过轴承的针孔，以便润滑油喷出到气缸壁的推力侧，以润滑活塞和活塞环的行程。连杆可以在两端旋转，因此连杆与活塞之间的角度可以随着连杆上下移动并围绕曲轴旋转而改变。

用于连杆的材料多种多样，包括碳钢、铁基烧结金属、微合金钢、球化石墨铸铁。在大批量生产的汽车发动机中，连杆通常由钢制成。在高性能应用中，可以使用钢坯连杆，它由实心金属坯料加工而成，而不是铸造或锻造。其他材料包括T6-2024铝合金或T651-7075铝合金，它们用于轻量化和吸收高冲击力的能力，但会牺牲耐用性。钛是一种更昂贵的选择，可以减轻重量。铸铁可用于更便宜、性能更低的应用，例如小型摩托车。

在曲轴的每次旋转过程中，连杆通常会受到大而重复的力：由于活塞和曲柄销之间的角度产生的剪切力，活塞向下移动时的压缩力，以及活塞向上移动时的拉力。这些力与发动机转速(RPM)的平方成正比。连杆的故障，通常称为抛杆，是汽车中发动机灾难性故障的最常见原因之一，经常将断杆从曲轴箱的侧面驱动，从而使发动机无法修复。连杆故障的常见原因是发动机高转速引起的拉伸故障、活塞撞击气门时的冲击力（由于气门机构问题）、连杆轴承故障（通常是由于润滑问题）或连杆安装不正确.

曲轴通过连杆施加在活塞上的侧向力会导致气缸磨损成椭圆形。这会显着降低发动机性能，因为圆形活塞环无法正确密封椭圆形气缸壁。侧向力的大小与连杆的角度成正比，因此更长的连杆将减少侧向力的大小和发动机磨损。但是，连杆的xxx长度受发动机缸体尺寸的限制；冲程长度加上连杆长度不得导致活塞移动超过发动机缸体的顶部。

径向发动机通常使用主从连杆，其中一个活塞（动画中最上面的活塞）有一个直接连接到曲轴的主连杆。其余的活塞将其连杆的附件固定在主杆边缘周围的环上。具有许多气缸的多排发动机，例如V12发动机，在有限长度的曲轴上几乎没有空间可用于许多连杆轴颈。在大多数公路汽车发动机中使用的最简单的解决方案是每对气缸共享一个曲柄轴颈，但这会减小连杆轴承的尺寸，并意味着不同排中匹配（即相反）的气缸沿曲轴轴（产生摇摆偶）。另一种解决方案是使用主从连杆，其中主连杆还包括一个或多个环销，这些环销连接到其他气缸上从动杆的大端。主从连杆的一个缺点是，所有与主活塞不成180°的从活塞的冲程长度总是比主活塞的冲程长度稍长，主从连杆最复杂的例子之一是为二战开发的24缸JunkersJumo222实验飞机发动机。该发动机由六排气缸组成，每排气缸有四个气缸。每层六缸采用一根主连杆，其余五缸采用从连杆。制造了大约300台测试发动机，但该发动机并未投入生产。

叉刃杆也称为分体式大头杆，已用于V型双缸摩托车发动机和V12飞机发动机。对于每对气缸，叉杆在大端分成两部分，并且来自相对气缸的刀片杆变薄以适合叉中的这个间隙。这种布置消除了当气缸对沿曲轴偏移时产生的摇摆力偶。大端轴承的常见布置是叉杆有一个宽轴承套，横跨杆的整个宽度，包括中心间隙。刀片杆然后运行，不是直接在曲柄销上，而是在这个套筒的外面。这会导致两个杆来回摆动（而不是相对于彼此旋转），从而减少轴承上的力和表面速度。然而，轴承运动也变成往复运动而不是连续旋转，这对于润滑来说是一个更困难的问题。使用叉刃杆的著名发动机包括劳斯莱斯MerlinV12飞机发动机、EMD二冲程柴油发动机和各种HarleyDavidsonV-twin摩托车发动机。