配气机构主要零部件.doc

配气机构主要零部件一、配气机构的零件和组件（一）气门组1.气门组组成及要求（1）组成有的进气门还设有气门旋转机构（2）要求气门头部与气门座贴合严密气门导管与气门杆导向良好气门弹簧两端与气门杆的中心垂直气门弹簧的弹力足够2.气门（视频）（1）气门的工作条件及材料1）气门的工作条件气门工作温度很高（进气门：300400，排气门：600800）承受气缸压力、弹簧力、传动组零件惯性力冷却和润滑条件差、易受腐蚀2）气门的材料足够的强度刚度、耐热、耐磨能力进气门：合金钢(铬钢或镍铬钢)排气门：耐热合金钢(硅铬钢)。有的排气门头部用耐热合金钢；杆部用铬钢（2）气门构造1）气门顶面平顶：结构简单、制造方便、受热面积小、质量小；目前应用最多。进排气门均可用凹顶：头部与杆部有较大的过渡圆弧，可以减小进气阻力；头部弹性较大，能较好适应气门座圈的变形。适用于进气门，不宜用于排气门凸顶：头部刚度大，排气阻力小；但受热面积大，质量大，加工较复杂。适用于排气门2）气门锥面（视频）气门锥角：气门锥面与气门顶面之间的夹角。一般为45，少数进气门为30较小气门锥角：气门通过断面较大，进气阻力较小，可以增加进气量。但气门头部边缘较薄，刚度较差，致使密封性变差较大气门锥角：可提高气门头部边缘的刚度，气门落座时有较好的自动对中作用及较大的接触压力。有利于密封与传热及挤掉密封锥面上的积炭3）气门传热（视频）气门头部接受的热量，一部分经气门座圈传给气缸盖，另一部分通过气门杆和气门导管也传给气缸盖，最终被气缸盖水套中的冷却液带走气门密封锥面必须严密贴合：研磨气门与气门座圈气门杆与气门导管配合间隙小：减少热阻4）特殊气门中空气门杆气门：减轻气门质量，减小气门运动惯性力，应用某些高度强化发动机充钠排气门：冷却效果明显，应用某些风冷和轿车发动机。钠熔点：97.8 ，沸点：880 （3）每缸气门数（视频）1）两气门：进气门比排气门大，减小进气阻力增大进气量2）多气门：现代高性能汽车发动机普遍采用每缸三、四、五个气门3气门：2个进气门，1个排气门, 排气门比进气门大，进气量有明显增加，火花塞很难布置在中央,对燃烧不利4气门和5气门：其中尤以四气门发动机为数最多3.气门座与气门座圈（1）气门座的功用与气门配合对气缸起密封作用接受气门传来的热量进行散热（2）气门座的工作条件及材料工作条件：工作温度很高，承受频率极高的冲击载荷，容易磨损(3) 气门座圈气门座圈(铝气缸盖和多数铸铁缸盖)材料：合金铸铁、粉末冶金、奥氏体钢部分铸铁缸盖不镶气门座圈 4.气门导管（1）气门导管的功用对气门的运动导向，保证气门作直线往复运动，使气门和气门座能正确贴合将气门杆接受的热量部分传给气缸盖（2）气门导管的工作条件及材料工作条件：工作温度较高，润滑条件较差(靠配气机构飞溅机油润滑)，容易磨损材料：灰铸铁，球墨铸铁，铁基粉末冶金（3） 气门导管结构（视频）与气缸盖承孔过盈配合，有的发动机不设气门导管有的气门导管设有卡环槽：防松落有的排气气门导管设有排渣槽：清除沉积物和积炭5.气门油封（1）气门油封的功用气门杆与气门导管孔需要润滑，机油又不能太多，否则机油消耗量增加为了控制和减少机油消耗量，现代汽车发动机装有气门油封（2）气门油封的工作（视频）6.气门弹簧（1）气门弹簧的功用（视频）保证气门关闭时能紧密地与气门座贴合。克服在气门开启时配气机构产生的惯性力使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离（2）气门弹簧的工作条件及材料1）工作条件承受交变载荷为保证其可靠的工作，应具有合适的刚度和足够的抗疲劳强度避免弹簧锈蚀两端面必须磨光并与轴线垂直2）材料优质冷拔弹簧钢丝如高碳锰钢、铬钒钢等并经热处理钢丝表面抛光处理表面镀锌、磷化（3）气门弹簧结构等螺距圆柱形螺旋弹簧：会发生共振。防止共振发生，采取如下结构措施：变螺距气门弹簧：螺距小端向缸盖顶面锥形气门弹簧：弹簧大端向缸盖顶面双气门弹簧：弹簧旋向相反气门弹簧振动阻尼器（二）气门传动组1.气门传动组组成凸轮轴下置式（视频）：凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂和摇臂轴等凸轮轴上置式（视频）：凸轮轴、挺柱、摇臂和摇臂轴等凸轮轴上置直接驱动气门式：凸轮轴、挺柱等2.凸轮轴（1）凸轮轴的功用（视频）配置有各缸进、排气凸轮，使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭（2）凸轮轴的工作条件及材料1）工作条件承受周期性的冲击载荷表面磨损比较严重2）要求要求表面耐磨，足够韧性刚度由优质碳钢或合金钢锻造用合金铸铁或球墨铸铁铸造凸轮表面经热处理后磨光（3）凸轮轴结构4缸发动机凸轮轴（如图）1）凸轮轮廓（视频）控制进排气门开闭时刻、持续时间及开闭的速度r0：实际基圆半径r0:理论基圆半径AB/DE：缓冲段，气门运动速度小，防止强烈冲击BCD：工作段挺柱：A点开始升起，E点停止运动气门：最迟在B点开始升起，最早在D点完全关闭2）同名凸轮的相对位置与凸轮轴的旋转方向、发动机点火顺序、气缸数、作功间隔角有关四缸机: 发火顺序：1-3-4-2作功间隔角：180曲轴转角(90凸轮轴转角)同名凸轮夹角：90六缸机:发火顺序：1-5-3-6-2-4作功间隔角：120曲轴转角(60凸轮轴转角)同名凸轮夹角：60（4）凸轮轴传动机构定时记号（视频）3.挺柱（1）挺柱的功用（视频）是凸轮的从动件，将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门（2）挺柱的工作条件及材料1）工作条件摩擦和磨损都相当严重承受凸轮侧向力而偏磨2）材料挺柱工作面应耐磨损并得到良好润滑碳钢 合金钢 镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁（3）机械挺柱的结构形式球面挺柱平面挺柱滚子挺柱（4）减轻挺柱底面磨损的结构措施挺柱轴线偏离凸轮的对称轴线凸轮工作面为锥角很小的锥面（5）液压挺柱（视频） 零气门间隙结构复杂加工精度高磨损后无法调整，只能更换4.摇臂（1）摇臂的功用（视频）将推杆或凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启（2）摇臂的工作条件及材料1）工作条件承受很大弯矩足够强度足够刚度较小质量2）材料锻钢铸铁铝合金（3）摇臂结构与其他零部件的连接关系二、可变配气正时及气门升程机构（雅阁VTEC）1.VTEC功用VTEC使配气正时和气门升程根据发动机转速变化作出相应的实时调整，使气缸的充气量同时满足发动机低转速和高转速下的不同需要，从而提高了发动机的动力性和经济性2.低转速下VTEC原理正时活塞无油压作用同步活塞在图示位置主、辅摇臂分别由主、辅进气凸轮驱动主进气门按正常的时间和高度开启辅助进气门由于辅助凸轮的高度小而稍稍打开，以防止燃油阻塞进气口中间进气摇臂由中间凸轮驱动，但对进气门的开启无任何作用进排气门重叠角和升程都较小，满足了低速工况的需要3. 高转速下VTEC原理ECM输出控制信号，使VTEC电磁阀打开来自机油泵的油压作用于正时活塞，使正时活塞和同步活塞右移同步活塞将3个摇臂连锁，成为一体主、辅助进气摇臂均由中间凸轮驱动，从而改变了配气正时增大了进排气门重叠角和升程，适应了高速工况的需要一、配气机构的功用与组成 1.配气机构的功用按照发动机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入气缸，废气得以从气缸及时排除2.配气机构的组成气门组：气门、气门座、气门弹簧、气门导管等气门传动组：凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂组等3.充气效率 （1）充气效率v= M/M0M：在进气行程中实际进入气缸内新气质量M0：在进气系统进口状态下，充满气缸工作容积的新气质量（2）对充气效率的分析v1（一般为0.809）（3）提高v方法减少进气和排气阻力进排气门的开启时刻和持续开启时间适当4.配气机构的类型（1）气门布置形式气门顶置式：气门安置在气缸盖上，最常用 气门侧置式：气门安置在气缸体上，目前已不采用（2）凸轮轴布置位置1）凸轮轴上置式凸轮轴安置在气缸盖上，轿车发动机常用主要优点：运动件少，凸轮轴至气门的传动链短，整个机构的刚度大，适合于高速发动机主要缺点：凸轮轴与曲轴传动距离较远，一般用齿形带传动或链传动 2）凸轮轴下置式凸轮轴位于曲轴箱内主要优点：凸轮轴离曲轴较近，一般用一对齿轮驱动 主要缺点：运动件多，凸轮轴至气门的传动链长，整个机构的刚度差，多用于较低转速发动机3）凸轮轴中置式凸轮轴位于气缸体上部与凸轮轴下置式相比：减少了推杆（或推杆较短），从而减轻了配气机构的往复运动质量，增大了机构的刚度，更适用于较高转速发动机 （3）凸轮轴传动方式1）齿形带传动式用于上置式凸轮轴的传动主要优点：噪声小、质量轻、成本低、工作可靠、不需要润滑；齿形带伸长量小，适合有精确定时要求的传动；轿车发动机多采用正时皮带2）链传动式用于中置式和上置式凸轮轴的传动，尤其是上置式凸轮轴的高速汽油机采用较多3）齿轮传动式用于下置式和中置式凸轮轴的传动汽油机只用一对定时齿轮，即曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮柴油机还需要驱动喷油泵，所以增加一个中间齿轮（4）气门驱动形式1）摇臂驱动式如图为摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构；凸轮轴直接驱动摇臂，摇臂驱动气门还可以是凸轮轴推动挺柱，挺柱推动摇臂，摇臂再驱动气门2）摆臂驱动式 如图为摆臂驱动、双凸轮轴上置式配气机构摆臂驱动比摇臂驱动刚度更好，更有利于高速发动机，在轿车发动机上应用广泛3）直接驱动式如图为直接驱动、凸轮轴上置式配气机构，凸轮通过挺柱驱动气门直接驱动式配气机构的刚度最大，驱动气门的能量损失最小，在高度强化的轿车发动机上应用广泛（5）每缸气门数及其排列方式1）两气门式一般发动机每个气缸有2个气门：一个进气门和一个排气门。称两气门发动机2）多气门式现代高性能汽车发动机普遍采用每缸3、4、5个气门，以四气门发动机为最多。优点：气门通过断面积大，进排气充分，进气量增加，发动机的转矩和功率提高二、配气相位1.配气定时(配气相位)（1）配气定时：以曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻及其开启的持续时间进气提前角：从进气门开到上止点曲轴所转过的角度进气迟后角：从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度排气提前角：从排气门开启到下止点曲轴转过的角度排气迟后角：从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度2.配气相位图（1）配气相位图：上、下止点曲拐位置时的配气定时曲轴转角环形图进气时：进气门提前角打开，滞后角关闭。进气时间为：+180+排气时：排气门提前角开启，滞后角关闭， 排气时间为：+180+气门重叠：活塞在排气上止点附近出现进、排气门同时开启的现象气门重叠角：重叠期间的曲轴转角称为气门重叠角，它等于进气提前角与排气迟后角之和+ 三、气门间隙1.气门间隙概念冷态时，当气门处于关闭状态时，气门与传动件之间的间隙气门间隙过小：漏气、气门烧坏气门间隙过大：传动零件之间、气门和气门座之间撞击严重，加速磨损2.气门间隙的调整（1）气门间隙调整螺钉在摇臂或摆臂上驱动气门的一端，安装有气门间隙调整螺钉及其锁紧螺母，用扳手松开锁紧螺母，用改锥调整气门间隙调整螺钉，同时用塞规测试气门间隙符合标准，再用锁紧螺母紧固调整螺钉如广州本田雅阁发动机气门间隙：进气门:0.260.02mm；排气门: 0.300.02mm （2）气门间隙调整块摆臂驱动气门时，以摆臂支座为支点，在摆臂上需要装设气门间隙调整螺钉或气门间隙调整块在许多用其门间隙自动补偿器代替摆臂支座，实现零气门间隙（不用调整气门间隙）有些发动机用上置双凸轮轴直接驱动气门时，凸轮通过气门间隙调整块推动机械挺柱，再驱动气门3.零气门间隙当采用液压挺柱时，由于液压挺柱的长度可自调，可以不留气门间隙。安装以下装置时也为零气门间隙。吊杯形液压挺柱摆臂与气门间隙自动补偿器摇臂与液压气门导可变气门正时系统 Variable Valve Timing System 可变气门正时系统，是能改变气门正时或升程，以适应不同转速下扭矩最佳化要求的配气机构。 普通的发动机的气门正时（即配气相位）及气门升程是固定不变的，即进气时进、排气门的重叠角是不变的。但是，在高转速时，由于进气流速快，燃烧时间短，希望进气门早开，气门重叠角大一些，才能保证进人足够的混合气；而在低速运转时，如果气门重叠角大，混合气又容易从排气门漏出，影响发动机的动力性能和经济性能。所以，普通发动机难以保证发动机在高速和低速都能得到最佳的性能。 为此，人们开发了可变气门正时系统，大致分为两种方式： 德国宝马公司开发了一种可变凸轮轴转角的控制系统(VACC)。用电子控制液压机构使进气凸轮在高转速时可向前转动，从而加大进气门开启的提前角度（不改变气门升程），达到在高转速下进气充足，保持扭矩最大的目的。 本田公司开发了一种可变气门及升程的电控系统(VTEC)。每缸有四个气门，每个气门有两个摇臂，每个摇臂有各自的凸轮。在转速不同的情况下，各气门的动作不同，以保证发动机在高速和低速时的扭矩最佳化，都有良好的动力性和经济性。 低转速时，副进气门几乎不打开，由主进气门进人的混合气在燃烧室中产生强烈的涡流，使混合气分层，其较浓的部分集中到燃烧室的中央，从而保证了稀混合气的燃烧，使低速时也能产生较大的扭矩。在高转速时，两个摇臂锁在一起，两个进气门同时工作，以保证发动机的高功率。正时齿带或正时链条 Toothed Timing Belt（Timing Chain) 正时齿带（或链条）是用于顶置凸轮轴式配气机构的传动机构。 凸轮轴正时齿带轮（或链轮）安装在凸轮轴前端，由曲轴正时齿带轮（或链轮）通过齿带（或链条）驱动。凸轮轴正时齿带轮（或链轮）的齿数是曲轴正时齿带轮（或链轮）齿数的两倍。 过去，在齿带出现之前，主要采用链条来带动顶置的凸轮轴。这种传动方式的缺点是噪声大，需要润滑和维护。后来，出现了由纤维和橡胶制成的齿带，非常轻便，噪声小，又不需润滑，因此多数改为齿带传动。不过，齿带的寿命较短，一般行驶一万公里就需更换，否则万一齿带折断，有可能造成气门撞击活塞的严重事故。所以，有的厂家（如奔驰公司）仍然偏好使用链条传动。正时齿轮 Timing Gear正时齿轮是用于侧置凸轮轴式配气机构的传动机构。凸轮轴正时齿轮安装在凸轮轴前端，由曲轴正时齿轮直接驱动。四冲程发动机的凸轮轴正时齿轮齿数是曲轴正时齿轮齿数的两倍。为了减少噪音和磨损，通常采用斜齿轮啮合，并且用夹布胶木或尼龙塑料制成。凸轮轴传动机构 凸轮轴的转动需要靠曲轴的动力带动。把动力从曲轴传到凸轮轴的机构，叫做凸轮轴传动机构。同时，为了保证气门开闭的准确时间，还要使凸轮轴的转动和曲轴的转动保持同步。四冲程发动机的凸轮轴转速应当正好是曲轴转速的一半。这样，就保证在每一个工作循环中，曲轴转动两周，凸轮轴正好转动一周，气门也准时开闭一次。 凸轮轴传动机构通常采用以下两种方式： 正时齿轮机构在侧置凸轮式配气机构中，由于凸轮的位置离曲轴较近，因此采用齿轮直接传动。 正时齿带轮（或链轮）机构在顶置凸轮式配气机构中，由于凸轮的位置离曲轴较远，因此不能采用齿轮直接传动，而要采用齿带或链条传动。摇臂轴 摇臂轴为一空心的圆轴，它固定在几个专门的支架上，支架用螺栓固装在气缸盖上，摇臂轴套装在摇臂轴上。每个摇臂之间装有弹簧，使摇臂各自紧靠支座的磨光端面上。摇臂孔内有青铜衬套（也有装滚柱或球轴承的）。摇臂轴内孔与发动机润滑油道相通，并在轴上钻有辐射的油孔，以供摇臂与摇臂轴之间以及摇臂与气门调整螺钉之间的润滑。气门摇臂 摇臂的功用是将推杆或凸轮的运动改变方向传给气门。它是一个中间具有圆孔的不等长双臂杠杆，长臂的端部具有圆弧形的工作面与气门尾部接触，短臂的端部有螺孔，用来安装调整螺钉及锁紧螺母以调整气门间隙。凸轮轴 凸轮轴是上有若干个桃形凸轮的轴，是配气机构最关键的零件。它的功用是控制各缸气门的适时开启和关闭，同时驱动汽油泵、机油泵和分电器等附件工作。凸轮轴由进气凸轮、排气凸轮、轴颈、驱动机油泵和分电器的齿轮及推动汽油泵摇臂的偏心轮制成一体。凸轮的个数一般等于气门的个数，凸轮在轴上的分布位置，是由发动机的工作顺序所决定的。挺杆（挺柱） 挺杆的功用是将侧置凸轮的推举运动传给气门或推杆，以控制气门的关闭。工作时，为了使挺杆圆杆面及底面磨损均匀，一般将挺杆的下部工作面制成半径很大的球面，而凸轮制成略带锥形，使凸轮与挺杆的接角点偏移两者的中心线约2 mm左右，从而使挺杆在工作时产生缓慢的转动。 有些高级轿车发动机上，采用了液力挺杆，可以用液压消除气门间隙，但成本较高。推杆 由于侧置凸轮轴和气门分开设置，距离较远，因此采用推杆来传递推力。推杆一般用空心钢管制成，两端焊有或嵌压不同形状的端头气门导管Valve Guide 气门导管的主要功用是保证气门直线运动，使气门与气门座正确闭合，同时，还将气门杆的热量传至气缸体或气缸盖。气门导管内外表面经加工后压人气缸盖或气缸体内。气门杆与导管间留有适当的间隙，使气门能在导管中自|由运动。气门弹簧 气门弹簧，一般是用弹簧钢丝制成的圆柱形螺旋弹簧。其功用是使气门与气门座保持紧密闭合，并防止气门在开闭过程中，因运动件的惯性而产生彼此脱开。为了防止弹簧发生共振，可采用螺距不等的圆柱弹簧或在同一个气门上套装内外两个弹簧。采用不等螺距弹簧时，螺距大的一端应朝向弹簧座安装。顶置凸轮轴 顶置凸轮轴式配气机构的进、排气门及凸轮轴都安装在气缸盖上。 当发动机工作时，曲轴通过链轮（或齿形皮带）驱动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的凸起部分直接顶下摇臂时，摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门使其开启。当凸轮凸起部分离开摇臂，气门便在气门弹簧的张力作用下上升而紧压在气门座上，使气门关闭。 由此可知，顶置凸轮轴省去了挺柱和长长的推杆，避免了它们在高速运转下可能带来的各种麻烦。可以大大提高发动机的转速和功率。所以，已为近来各种新型高速汽车发动机所采用。 顶置凸轮轴又分单顶置凸轮轴（SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)和双顶置凸轮轴干脆把摇臂也取消了，由凸轮直接和气门接触，进一步降低了惯性，而且可以安装多个气门。目前，新型汽车发动机已大多采用顶置凸轮轴的结构顶置气门 OHVOver Head Valve 顶置气门式配气机构的气门倒装在燃烧室中，使进、排气通道的路线较短，弯道少，同时气流阻力小，气门升程大，所以有利于发动机的进气和排气。此外，燃烧室结构紧凑，散热面积少，有利于提高压缩比和混合气的正常燃烧，从而提高发动机的动力性和经济性。但它的组成零件较多，结构比较复杂，重量大，发动机高度增加。 顶置气门式配气机构根据凸轮轴的位置也分两种：一种将凸轮轴放在发动机的侧面，另一种将凸轮轴放在发动机的顶部（即顶置凸轮轴）。 普通顶置气门式配气机构（OHV）的进、排气门都安装在气缸盖上，而凸轮轴仍安装在气缸体上。国产汽车如东风、解放、北京等发动机普遍采用这种结构。 当发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起挺杆时，通过推杆和调整螺钉使摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门使其开启。当凸轮凸起部分离开挺杆后，气门便在气门弹簧的张力作用下上升而紧压在气门座上，使气门关闭。 普通顶置气门式配气机构的缺点是凸轮轴在气缸体侧面，不得不有一根长长的推杆。由于热胀冷缩，必须在推杆和摇臂之间留出足够的间隙，而使噪声加大。同时，推杆过长也增加了惯性力，使发动机转速的提高受到限制。侧置气门 SVSide Valve 侧置气门式配气机构，是最早出现的配气机构。它将配气机构装置在气缸的侧面。凸轮轴由正时齿轮带动，向上顶开气门进气从侧面进人气缸，排气也从侧面排出气缸。它具有结构简单、重量轻、惯性小和工作比较平稳等优点，曾在早期的汽车发动机中长期应用。但是，由于进气的通道要经过从下到上，再从上到下的迂回路径，排气的通道也要经过相似的迁回路径，阻力较大，发动机的动力性和经济性的提高受到限制，目前已基本上被顶置气门式配气机构所替代。多气门 传统汽车每个气缸一般只有进气和排气两个气门。现在，越来越多的汽车发动机采用了每缸两个以上的气门（三个到六个）。这是因为，多气门发动机增加了进气和排气的通道，提高了缸内的充气系数和气流速度，减少了气门的质量和惯性，从而可以提高发动机的压缩比和最高转速，使燃