曲轴

曲轴是由曲柄机构驱动的轴，曲柄机构由一系列曲柄和曲柄销组成，发动机的连杆连接到曲柄销上。它是一种能够在往复运动和旋转运动之间进行转换的机械部件。在往复式发动机中，它将活塞的往复运动转换为旋转运动，而在往复式压缩机中，它将旋转运动转换为往复运动。为了在两种运动之间进行转换，曲轴具有曲柄销或曲柄销，附加的轴承表面，其轴线与曲柄的轴线偏移，来自每个气缸的连杆的大端连接到该表面。它通常连接到飞轮以减少四冲程循环的脉动特性，有时还连接到另一端的扭转或振动阻尼器，以减少通常由最远的气缸沿曲轴长度引起的扭转振动输出端作用于金属的扭转弹性。

在公元前5世纪的西班牙凯尔特比利亚出现了一个偏心安装的旋转手磨手柄形式的曲柄，并最终传播到整个罗马帝国。在瑞士的奥古斯塔劳里卡出土了一个可追溯到公元2世纪的罗马铁曲柄。曲柄操作的罗马磨坊可以追溯到2世纪后期。可追溯到3世纪的希拉波利斯工厂中出现了曲柄与连杆相结合的证据；它们还在罗马叙利亚和以弗所的石锯木厂中发现，其历史可追溯至6世纪。希拉波利斯磨坊的山形墙显示了一个水车，该水车由一个磨轮提供动力，通过一个齿轮系为两个框架锯提供动力，两个框架锯通过某种连杆和曲柄切割块。另外两个经考古证实的锯木厂的曲柄和连杆机构在没有齿轮系的情况下工作。德国的水力大理石锯是由4世纪晚期诗人Ausonius提到的。大约在同一时间，来自安纳托利亚的Nyssa的Gregory似乎也指出了这些磨坊类型。

加洛林手稿UtrechtPsalter中显示了由曲柄手柄操作的旋转磨石；大约830年的钢笔画可以追溯到晚期古董原件。用于转动车轮的曲柄也在10至13世纪的各种作品中被描绘或描述。木匠支架中的复合曲柄的xxx次描绘出现在1420年至1430年间的北欧艺术品中。复合曲柄的迅速采用可以追溯到一位不知名的德国工程师撰写的关于胡斯xxx期间军事技术状况的著作：首先，用于曲柄的连杆重新出现；第二，双复合曲柄也开始配备连杆；第三，为这些曲柄使用飞轮以使它们越过“死点”。1463年，意大利工程师兼作家罗伯托·瓦尔图里奥（RobertoValturio）xxx改进了这一概念，他设计了一艘有五组的船，其中平行曲柄全部通过一根连杆连接到一个单一的动力源，他的同胞也采用了这个想法意大利画家弗朗切斯科·迪·乔治。到15世纪初，曲柄在欧洲已经很普遍，正如军事工程师KonradKyeser（1366年至1405年之后）的作品中所见。Kyeser的Bellifortis中描述的装置包括用于跨越攻城弩的曲柄起锚机、用于提水的曲柄链桶和安装在铃轮上的曲柄。Kyeser还为阿基米德的提水螺钉配备了曲柄手柄，这项创新随后取代了通过踩踏来加工管道的古老做法。Pisanello画了一个由水轮驱动的活塞泵，由两个简单的曲柄和两个连杆操作。15世纪还出现了曲柄齿轮齿条装置，称为起重机，安装在弩的枪托上，作为在跨越导弹武器时施加更大力量的一种手段。在纺织工业中，引入了用于卷绕纱线束的曲轴卷轴。

非手动曲柄出现在BanūMūsā兄弟在其9世纪的《巧妙装置之书》中描述的几种液压装置中。这些自动操作的曲柄出现在几个设备中，其中两个包含一个类似于曲轴的动作，预计Al-Jazari的发明在几个世纪之前就已经在欧洲首次出现了五个多世纪。然而，BanuMusa所描述的自动曲柄不允许完全旋转，但只需进行小修改即可将其转换为曲轴。Artuqid苏丹国的阿拉伯工程师Al-Jazari(1136–1206)在他的两台提水机中描述了旋转机器中的曲柄和连杆系统。作者SallyGanchy在他的双缸泵机构中发现了一个曲轴，包括曲柄和轴机构。

意大利医生GuidodaVigevano（约1280−1349年）计划进行新的十字军东征，为由手动转动的复合曲柄和齿轮驱动的桨船和战车制作插图，LynnTownsend将其确定为早期曲轴原型白色的。可追溯到1340年左右的LuttrellPsalter描述了一种由两个曲柄旋转的磨石，一个在其轴的两端；带有一个或两个曲柄的齿轮手磨机出现在15世纪后期。大约在1480年左右，中世纪早期的旋转磨石通过踏板和曲柄机构进行了改进。安装在手推车上的曲柄最早出现在1589年的德国版画中。1592年，列奥纳多·达·芬奇(LeonardodaVinci)（1452-1519年）和一位名叫CornelisCorneliszoonvanUitgeest的荷兰农民和风车所有者也描述了曲轴。他的风力锯木厂使用曲轴将风车的圆周运动转换为为锯提供动力的前后运动。1597年，Corneliszoon的曲轴获得了专利。

从16世纪开始，曲柄和连杆集成到机器设计中的证据在这一时期的技术论文中变得丰富：AgostinoRamelli的1588年的多样化和人工机器描绘了18个例子，这个数字在Georg的TheatrumMachinarumNovum中上升AndreasBöckler到45台不同的机器。曲柄以前在20世纪初的某些机器上很常见。例如，在1930年代之前，几乎所有的留声机都是由带有曲柄的发条电机驱动的。往复式活塞发动机使用曲柄将线性活塞运动转换为旋转运动。20世纪早期汽车的内燃机通常是用手摇曲柄启动的，在电启动器开始普遍使用之前。1918年的Reo所有者

• xxx：确保变速杆处于空档位置。
• 第二：离合器踏板松开，离合器接合。尽可能向前推动制动踏板，在后轮上设置制动器。
• 第三：看到火花控制杆，即位于右侧方向盘顶部的短杆，尽可能朝向驾驶员，而位于控制化油器的转向柱顶部的长杆是从它的延迟位置向前推大约一英寸。
• 第四：将点火开关转到标有B或M的位置
• 第五：将转向柱上的化油器控制设置到标记为START的位置。确保化油器中有汽油。通过按下从碗前部突出的小销钉来测试这一点，直到化油器溢出。如果它未能溢出，则表明燃料没有正确输送到化油器，并且无法预期电机启动。请参阅第56页上的说明以填充真空罐。
• 第六：确定化油器有燃油供应后，抓住起动曲柄把手，向内推使棘轮与曲柄轴销啮合，快速向上拉动使电机翻转。切勿向下推，因为如果由于任何原因电机会反弹，则会危及操作员。

大型发动机通常是多缸的，以减少单个点火冲程的脉动，将多个活塞连接到复杂的曲轴上。许多小型发动机，例如轻便摩托车或园林机械中的发动机，都是单缸的，只使用一个活塞，简化了曲轴设计。曲轴承受巨大的应力，可能相当于几吨的力。曲轴通过主轴颈上的轴承连接到飞轮（用于消除冲击并将能量转换为扭矩）、发动机缸体，并通过它们各自的连杆连接到活塞。发动机在曲轴箱和活塞区域以摩擦、噪音和振动的形式损失多达75%的产生能量。剩余的损失发生在气门机构（正时链、皮带、皮带轮、凸轮轴、凸轮、气门、密封件等）加热和漏气中。

曲轴有一个绕其旋转的线性轴，通常有几个轴承轴颈骑在发动机缸体中的可更换轴承（主轴承）上。由于曲轴在多缸发动机中的每个气缸都承受大量的侧向载荷，因此它必须由多个这样的轴承支撑，而不仅仅是在每一端一个。这是V8发动机兴起的一个因素，曲轴较短，优于直列8发动机。当发动机设计者开始使用更高的压缩比和更高的转速时，后者的长曲轴遭受了不可接受的弯曲量。出于这个原因，高性能发动机通常比它们的低性能表亲具有更多的主轴承。

曲柄轴距曲轴轴的距离决定了活塞冲程测量值，从而决定了发动机排量。增加发动机低速扭矩的一种常见方法是增加冲程，有时也称为轴冲程。然而，这也增加了往复振动，限制了发动机的高速能力。作为补偿，它改善了发动机的低速运行，因为通过较小气门的较长进气冲程会导致更大的湍流和进气混合。大多数现代高速生产发动机被分类为超方形或短冲程，其中冲程小于气缸孔的直径。因此，在轴冲程速度和长度之间找到适当的平衡会带来更好的结果。

这种配置，意味着活塞的数量和它们相对于彼此的位置导致了直型、V型或扁平发动机。然而，相同的基本发动机组有时可以与不同的曲轴一起使用，以改变点火顺序。例如，90°V6发动机配置，如1960年代的GMV6，有时是通过使用具有3个曲轴的V8发动机的六个气缸衍生而来的，由于发动机之间的间隙，产生的动力流具有固有的脉动。点火脉冲在短暂停和长暂停之间交替，因为90度发动机缸体不对应于曲轴的120度间距。然而，同一台发动机可以通过使用曲轴来提供均匀间隔的动力脉冲，每个气缸都有一个单独的曲柄行程，间隔使得活塞实际上相距120°，就像在GM3800发动机中一样。虽然大多数生产V8发动机使用间隔90°的四个曲柄行程，但高性能V8发动机通常使用间隔180°的平曲轴，基本上导致两个直列四引擎在一个共同的曲轴箱上运行。可以听到这种差异，因为平面曲轴导致发动机比交叉平面曲轴具有更平滑、更高音调的声音（例如，IRLIndyCar系列与NASCARSprintCup系列相比，或法拉利355与雪佛兰Corvette相比）。这种类型的曲轴也用于早期类型的V8发动机。请参阅有关交叉平面曲轴的主要文章。本质上导致两个直列四引擎在一个共同的曲轴箱上运行。可以听到这种差异，因为平面曲轴导致发动机比交叉平面曲轴具有更平滑、更高音调的声音（例如，IRLIndyCar系列与NASCARSprintCup系列相比，或法拉利355与雪佛兰Corvette相比）。这种类型的曲轴也用于早期类型的V8发动机。请参阅有关交叉平面曲轴的主要文章。本质上导致两个直列四引擎在一个共同的曲轴箱上运行。可以听到这种差异，因为平面曲轴导致发动机比交叉平面曲轴具有更平滑、更高音调的声音（例如，IRLIndyCar系列与NASCARSprintCup系列相比，或法拉利355与雪佛兰Corvette相比）。这种类型的曲轴也用于早期类型的V8发动机。请参阅有关交叉平面曲轴的主要文章。

对于某些发动机，需要为每个活塞和连杆的往复运动质量提供配重，以改善发动机平衡。这些通常作为曲轴的一部分铸造，但有时是螺栓固定件。虽然配重给曲轴增加了相当大的重量，但它提供了一个

在某些发动机配置中，曲轴包含相邻曲柄销之间的直接连接，没有通常的中间主轴承。这些链接称为飞臂。这种布置有时用于V6和V8发动机，因为它使发动机能够设计成具有与创建均匀点火间隔所需的不同的V角，同时使用的主轴承仍比单个通常所需的更少每个曲柄的活塞。这种布置以降低曲轴刚度为代价减少了重量和发动机长度。

一些早期的飞机发动机是旋转发动机设计，曲轴固定在机身上，而气缸则随着螺旋桨旋转。

径向发动机是一种往复式内燃机配置，其中气缸从中央曲轴向外指向，就像车轮的辐条一样。从正面看，它类似于一颗程式化的星星，在某些语言中被称为星际引擎（德语Sternmotor，法语Moteurenétoile）。在涡轮发动机成为主导之前，径向配置在飞机发动机中非常普遍。

曲轴可以是整体的（单件制造）或由多件组装而成。整体式曲轴是最常见的，但一些更小和更大的发动机使用组装曲轴。

曲轴可以由钢筋锻造而成，通常通过滚锻或用韧性钢铸造。如今，越来越多的制造商倾向于使用锻造曲轴，因为它们重量更轻、尺寸更紧凑且固有阻尼更好。对于锻造曲轴，主要使用钒微合金钢，因为这些钢可以在达到高强度后进行空气冷却，无需额外的热处理，轴承表面的表面硬化除外。低合金含量也使材料比高合金钢便宜。也使用碳钢，但这些需要额外的热处理才能达到所需的性能。如今，铸铁曲轴主要用于负载较低的廉价生产发动机（例如福特福克斯柴油发动机中的发动机）。曲轴也可以用钢坯加工而成，钢坯通常是高质量的真空重熔钢棒。虽然纤维流动（在铸造过程中产生的材料化学成分的局部不均匀性）不遵循曲轴的形状（这是不希望的），但这通常不是问题，因为通常难以锻造的高质量钢可以用过的。由于必须用车床和铣床去除大量材料、高昂的材料成本以及需要额外的热处理，这些曲轴的单位成本往往非常昂贵。然而，由于不需要昂贵的工具，这种生产方法允许小批量生产而无需高昂的前期成本。为了努力降低成本，也可以加工使用过的曲轴。良好的芯通常可以通过曲轴磨削工艺轻松修复。严重损坏的曲轴也可以在打磨之前通过使用埋弧焊机的焊接操作进行修复。为了适应磨削曲轴具有的较小的轴颈直径，以及可能过大的推力尺寸，使用尺寸过小的发动机轴承以在操作期间提供精确的间隙。机加工或再制造曲轴经过精密加工以达到精确的公差，没有奇怪尺寸的曲轴轴承或轴颈。推力表面经过微抛光，以提供精确的表面光洁度，以实现发动机平稳运行并减少推力轴承磨损。每本期刊都经过严格的精度检查和测量。机加工后，油孔被倒角以改善润滑，每个轴颈抛光至光滑的表面以延长轴承寿命。重新制造的曲轴经过彻底清洁，特别强调冲洗和刷掉油道以去除任何污染物。

轴承受各种力，但一般需要在两个位置进行分析。首先，在xxx弯曲的位置可能会发生故障；这可能位于曲柄的中心或任一端。在这种情况下，故障是由于弯曲造成的，并且气缸中的压力xxx。其次，曲柄可能会因扭曲而失效，因此需要在xxx扭曲位置检查连杆是否有剪切力。这个位置的压力是xxx压力，但只是xxx压力的一小部分。

在发动机或压缩机中的传统活塞-曲柄布置中，活塞通过连杆连接到曲轴。当活塞在其冲程中移动时，连杆的角度会随着活塞运动方向的变化而变化，并且由于连杆在其与活塞和曲轴的连接处可以自由旋转，因此连杆不会传递扭矩，并且由连杆传递的力沿连杆的纵轴传递。活塞施加在连杆上的力导致连杆施加回活塞上的反作用力。当连杆与活塞的运动方向成一定角度时，连杆施加在活塞上的反作用力具有横向分量。该侧向力将活塞侧向推靠在气缸壁上。当活塞在气缸内移动时，这种侧向力会导致活塞和气缸壁之间产生额外的摩擦。摩擦约占内燃机所有损失的20%，其中约50%是由于活塞气缸摩擦造成的在成对的反向旋转曲轴布置中，每个活塞连接到两个曲轴，因此由于连杆的角度而产生的横向力相互抵消。这减少了活塞与气缸的摩擦，从而减少了燃料消耗。对称布置减少了对配重的要求，减少了整体质量，使发动机更容易加速和减速。它还消除了发动机摇摆和扭矩效应。几种反向旋转曲轴装置已获得专利，例如US2010/0263621。反向旋转曲轴装置的一个早期例子是兰彻斯特平板双缸发动机。