内燃机构造与设计--12-15气门机构.ppt

内燃机构造与设计 15气门机构 15 1有关气门机构总布置的一些问题 15 1 1气门机构的主要设计要求发动机中控制其进气 排气的起止时刻及气流通路面积的方式有 气口控制 回流扫气二冲程机 气门控制 四冲程发动机 混合控制 有排气门的直流扫气二冲程机 四冲程发动机全都采用气门控制进气和排气 其优点是气门口的密封比较可靠而且便于修复密封面 冷却和润滑比较方便 寿命也相对较长 气门机构的设计质量对于四冲程发动机的性能有着多方面的重要影响 15 1有关气门机构总布置的一些问题 对升功率的影响 发动机的最大功率转速nmax正比于进气门通路面积Av除以活塞排量Vh 而升功率Nl则正比于peNnmax 当最大功率工况的peN一样大时 升功率Nl正比于nmax也正比于Av Vh 所以进气门的相对通路面积Av Vh越大 升功率Nl越大 进排气定时的影响 进排气定时影响充气系数随转速变化的情况 进气晚关角 影响泵气损失 排气早开角和进气晚关角 影响换气质量 进排气重叠角 因此对发动机的动力性 燃料经济性和有害排放有影响 此外 气门机构的磨擦损失对发动机在低转速负荷工况下的机械效率和耗油率影响较大 气门机构的工作可靠性和噪声的影响 直接影响发动机整体可靠性和噪声 排气门的热裂 凸轮一从动件的接触疲劳 气门弹簧的疲劳失效等都是重要的可靠性问题 气门机构的传动链脱节或气门提前落座 反跳等异常现象 使发动机的噪声以及各接触面的磨损都会加剧 15 1有关气门机构总布置的一些问题 对气门机构设计的主要要求可归纳为 气门口有足够大的气流通路面积 也叫做气门通过能力 保证充气量大 气门机构的动力学特性好 在发动机最高转速工况也不出现机构飞脱和气门反跳 重要零件的热应力和机械应力水平不过高 选材及表面处理恰当 能耐久工作 气门机构的磨擦损失和噪声较低 进排气定时恰当 能兼顾高速和低速工况性能 便于制造和维修 成本较低 15 1有关气门机构总布置的一些问题 15 1 2气门的布置及气门机构的类型15 1 2 1气门的布置现代汽车发动机的气门都布置在气缸盖上 按照每缸的气门数目和在发动机纵向上的排列情况看来 有三种主要的布置方式 每缸两个气门 1进1排 在发动机纵向上成一列布置 绝大多数柴油机和楔形 盆形燃烧室的汽油机是这样布置的 气门的中心线一般相互平行 只有风冷机为了扩大进 排气门间的冷却空气通道要把两气门分开成一小角度 各缸进 排气门的纵向布置顺序有三种 交替排列 同气门相邻排列和混合排列 采用哪一种顺序要考虑柴油机进气道的型式 汽油机的供油方式以及缸盖的热负荷等情况 15 1有关气门机构总布置的一些问题 进 排气道的进口和出口有的安排在发动机的同一侧 有的分别安排在左 右两侧 还有的进气道进口安排在气缸盖的顶面 采用哪一种要考虑到汽油机进气需要加热而柴油机不宜加热 考虑风冷机合理安排冷却气流通道的需要等等 15 1有关气门机构总布置的一些问题 每缸两个气门 在发动机纵向上成两列布置 这样布置气门就得用两根凸轮轴来驱动或者用一根凸轮轴和两个摇轴来驱动 因此气门驱动机构复杂化 只用于不得不这样布置气门的半球形燃烧室或帐蓬形燃烧室的汽油机 15 1有关气门机构总布置的一些问题 每缸四个气门 纵向成两列布置 每缸用四个气门的好处 一是加大进气通路相对面积 从而提高发动机的最大功率转速和升功率 二是每一排气门的受热面积缩小而经过气门座散热的距离缩短 可以降低排气门的热负荷 三是可把喷油器布置在气缸中心线上 对直接喷射燃烧室柴油机的性能有利 缺点则是气门驱动机构复杂化 要用两根凸轮轴或两根摇臂轴 甚至有的要用叉形摇臂等驱动机构 除上述三种气门布置方式外 还有每缸三气门和五气门的汽车发动机 15 1有关气门机构总布置的一些问题 15 1 2 2气门机构的类型凸轮轴装在气缸体 或风冷机曲轴箱 中的气门机构简称下置凸轮轴式气门机构 其凸轮经挺柱 推杆 摇臂驱动气门 15 1有关气门机构总布置的一些问题 凸轮轴装在缸盖上的气门机构简称顶置凸轮轴式气门机构 其凸轮或经过摇臂驱动气门 或经过挺柱和摇臂驱动气门 或直接经导套 T形导杆驱动气门 15 1有关气门机构总布置的一些问题 在最后这两种直接驱动的气门机构中气门运动规律同凸轮型线一致 而在其它各种气门机构中都有摇臂比放大的作用 下置凸轮轴式气门机构的特点 主要优点是凸轮轴距曲轴较近 可以采用便宜 可靠 磨擦损失也较小的齿轮传动 而且凸轮轴可以同其它附件共用一个齿轮传动系 还可使发动机的高度较小和便于V型发动机布置 主要缺点是构件多 运动质量较大而机构刚度较小 因此固有频率较低 出现机构脱节 气门反跳等不正常现象的转速界限低于顶置轮轴式气门机构 上述优缺点决定了下置凸轮轴式气门机构广泛用于柴油机以及部分汽油机中 15 1有关气门机构总布置的一些问题 顶置凸轮轴式气门机构的特点 主要优点是运动质量小而机构刚度大 可以在很高转速下正常控制气门运动 此外 气缸体的形状简化 刚度改善 重量和成本降低 主要缺点是凸轮轴要用链传动 既昂贵又不耐用 磨擦损失和噪声也较大 采用齿形皮带传动可以降噪 但传递力矩较小 也不耐用 对于有其它辅助装置需要传动时还得另外安排一套齿轮传动 使整机结构更复杂 这些情况决定了顶置凸轮轴式气门机构主要用于轿车 赛车用的高速汽油机 以及少数轿车用的小型柴油机 在几种顶置凸轮轴式气门机构中 直接驱动气门的机构因运动件最少而最有利于上高速 但实际应用较多的却是经摇臂驱动气门的顶置凸轮轴式气门机构 有摇臂时凸轮升程小于气门升程 可以较灵活地选择摇臂比 15 1有关气门机构总布置的一些问题 使凸轮的h 升程 工作段包角 较合适 轮廓不至于过陡 并且留有改变气门升程的余地 在有摇臂的机构中还可以安排液压自动补偿元件 装在顶气门的摇臂端或作为摇臂的支点 从而取消气门间隙 降低噪声 这对于轿车发动机也是很重要的优点 15 1 3凸轮轴的传动机构凸轮轴的传动机构由曲轴带着凸轮轴转动 还要使凸轮轴对曲轴保持一定的相位关系以保证气门适时启闭 因此常被称为正时传动机构 中小型发动机的正时传动机构大多布置在发动机的前端 使装拆方便 但扭振附加载荷和噪声较大 布置在发动机后端的正时传动机构受扭振的影响较小 但不便拆装 机体结构较复杂 曲轴后端尺寸较大 使凸轮轴上的正时齿轮或链轮也随之加大 15 1有关气门机构总布置的一些问题 下置凸轮轴的传动一般用斜齿的圆柱齿轮传动 下图为几种可能的柴油机下置凸轮轴的齿轮传动方案 只画了凸轮轴和喷油泵的传动部分 方案 a 用于单列式柴油机 由于喷油器和气门机构推杆分置于缸盖两侧 对缸盖的布置较有利 方案 b 也用于单列式柴油机 所用齿轮数目最少 但齿轮尺寸决定于曲轴和凸轮轴中心距 要比方案 a 中的齿轮大一些 使发动机宽度加大 同时由于喷油器和推杆集中于缸盖一侧 进 排气道就只能都安排在另一侧了 方案 c 对缸盖设计的限制同 b 一样 只是发动机宽度可较小 15 1有关气门机构总布置的一些问题 方案 d 是V型柴油机最常用的正时齿轮传动方案 凸轮轴和喷油泵都布置在V型夹角内 方案 e 用于有两根凸轮轴的V型柴油机 两凸轮轴仍在V型角范围内 但位置靠近缸体上端 推杆缩短 气门机构的刚度较大 不过气门机构性能上的改善是否抵得过增加凸轮轴 齿轮带来的成本损失很值得考虑 方案 f 也用于两根凸轮轴的V型发动机 但凸轮轴布置在发动机的外侧 接近性好 也有少量应用 15 1有关气门机构总布置的一些问题 发动机的正时传动齿轮通常用优质钢材制成 表面淬火或氮化 以承受冲击性交变载荷 斜齿轮传动时有轴向推力 因此无论是凸轮轴还是传动机构中的各中间齿轮 都需要双向定位 中间齿轮的轴应有足够刚度 并固紧在刚度较好的机体壁上而不是固定在齿轮盖上 图示为几种高速汽油机顶置凸轮轴的链传动方案 在链条的松边要设张紧链轮或张紧压板 压板的表面有多层橡胶 张紧力通过弹簧或液压自动调节 为了消减链条的振动 还要在链条的边上设置滑轨 表面也有多层橡胶 曲轴上的链轮通常是钢制的 凸轮轴的链轮多用铸铁材料 15 1有关气门机构总布置的一些问题 近年来有一些高速汽油机顶置凸轮轴采用齿形皮带传动 齿形带由内含钢丝或尼龙丝的塑料带制成 不需要润滑 松边也要张紧以防跳齿 齿形带传动的成本低而噪声小 对轿车很有利 但传递扭矩较小 寿命一般不大于50000km 只能用于小型高速汽油机 15 1 4气门通过能力与配气相位15 1 4 1气门通过能力的表征及影响因素在气门开启过程中气门与气门座之间的气流通路面积随着气门升程h的增减而变化 可以近似地认为气流通路面积就是图示的倒锥面式中d1是气门头的小端直径 是气门密封锥面角 d2和h 的含义见图 15 1有关气门机构总布置的一些问题 f在气门开启期间的变化如图所示的曲线 曲线下的面积即叫做气门的 开启时间 断面 或气门的 时面值 气门的 平均开启面积 时面值和平均开启面积常被用来作为气门通过能力的表征 在同一气流速度下 这些参数越大 进气量就越大 影响气门通过能力的参数有 气门直径dv和气门最大升程hv 加大气门直径和气门最大升程 会使每一瞬时的气门通路都加大 和fm都加大 气门的启闭速度 对于dv hv 等尺寸一定的气门 即气门的最大通路面积一定 若改变气门的启闭速度 图中曲线的形状就会改变 也会影响气门通过能力 气门的启闭速度越快 曲线下的面积越大 即时面值和fm越大 15 1有关气门机构总布置的一些问题 气门口的其它设计 实际上不仅通路面积的大小对于单位时间进气量有影响 气门口的其它设计情况 如进气门头部向杆身过渡部分的形状设计 气门座内孔形状设计 也影响气体流动阻力 从而影响气门的实际通过能力 15 1 4 2气门直径和最大升程的确定1 气门直径 一般说来 气门直径要在结构布置允许的限度内尽可能取大些 限制的主要因素有 燃烧室型式 缸盖中进 排气道之间 以及气道与涡流燃烧室 喷油器之间 都应有足够的冷却水流通道 气门头边缘与气缸孔或燃烧室壁面之间应有一定距离 以免气流不畅 以直喷式柴油机为例 在气缸孔范围内布置气门应考虑的一些限制条件示于上图中 图中1是喷嘴孔边缘 2是进气门头部外圆 3是进气门座圈外圆 4是排气门座圈外圆 5是排气门头部外圆 6表示活塞顶上燃烧室凹穴的边缘 15 1有关气门机构总布置的一些问题 为了在有限的气缸面积内安排较大的进气门通路 通常都把排气门直径取得相对小一些 但考虑到泵气损失 排气门也不能过小 现有汽车发动机的排气门直径与进气门直径之比大多在0 82 0 88之间 2 气门的最大升程hv原则上气门全开时气流通路面积如果大于气门口通路面积就没有影响了 即hv只要大到能使成立 hs是气门杆直径 因dh稍大于d1 可认为 按上式 当就够了 据统计 汽车发动机进气门的hv大多在0 26 0 28之间 排气门的hv大多在0 3 0 35之间 进气门的hv总是小于或等于排气门的 15 1有关气门机构总布置的一些问题 实际上在设计时把进气门的hv取得比排气门的小一些是比较合理的 这是因为气门在开启期间的平均运动速度vv hvn 此处 是气门开启延续时间所对应的曲轴转角度数 延续时间 n 其平均运动加速度jv hvn2 2 平均惯性力Pjv mvjv dv3hvn2 2 而气门机构的振动强度和构件应力水平大体上可以说正比于jv和Pjv 鉴于进气门的直径大于排气门 而进气门的开启延续角度又大多比排气门的小10 20 曲轴转角 如果设计时对于发动机的进气门机构和排气门机构要求同等的振动强度和构件应力水平 则进气门的最大升程是应该比排气门的最大升程小一些 15 1 4 3配气相位配气相位对于换气质量 泵气损失 充气系数 扭矩外特性 怠速稳定性 有害排放等方面都有很大的影响 是需要通过调整试验加以优选的 也可以利用循环模拟作些预测 15 1有关气门机构总布置的一些问题 现有的nmax 6000r min非增压车用发动机中 进气延续角 I多为240 260 曲轴转角 排气延续角 E多为250 270 曲轴转角 进排气重叠角 IE多为25 40 排气早开角 E1一般都比进气晚关角 I2大 进气早开角 I1大多等于或略大于排气晚关角 E2 额定转速高的发动机 其 E I和 IE也较大 增压发动机和赛车发动机往往特别加大进排气重叠角以利用扫气降低排气门热负荷 IE有大到70 80 的 因此它们的 I和 E也很大 配气相位一经选定 即可据以确定同一气缸的进气凸轮对排气凸轮的位置角 确定各正时齿轮 或正时链轮与链条 的啮合记号 此后按记号装配即可实现选定的正时 15 1有关气门机构总布置的一些问题 汽车发动机的工况变化范围很广 一种固定的配气相位不可能对所有工况都最佳 高速工况宜用较大的进气晚关角和排气提前角 低速工况宜用较小的进气晚关角和排气提前角 就进排气重叠角来说 高速高负荷工况宜大些以利扫气 低速低负荷工况则宜小些以防废气倒流过多 使汽油机的怠速稳定性大为恶化 因此 即使是通过调试优选出的配气相位 也只是一种对各工况折衷的选择 从充分发挥发动机的性能潜力 改善高速汽油机的怠速稳定性考虑 最好配气相位以至于气门通路面积都能随着发动机工况的变化而自动变化 这对于轿车用高速汽油机将是很有意义的 目前这种 可变气门机构 还处在研究阶段 15 2气门机构的运动学与动力学 气门机构运动学所研究的内容包括 凸轮从动件 下置凸轮轴式气门机构中的挺柱 顶置凸轮轴式气门机构中的摇臂 运动规律与凸轮轮廓的关系 以及从动件与凸轮的相对滑动关系 在不考虑机构弹性的条件下 凸轮从动件的运动规律与气门运动规律的关系 气门机构动力学所研究的是有弹性的实际气门机构的运动规律 由运动学分析中得出的气门理论规律是进行动力学分析的原始条件之一 气门实际运动规律就是理论规律叠加瞬态振动的结果 15 2气门机构的运动学与动力学 几何凸轮如果凸轮轮廓是由一些几何尺寸直接给定的 就是几何凸轮 其中最典型的有圆弧凸轮和圆弧切线凸轮 只要轮廓尺寸给定 就不难按照几何关系算出任一凸轮轴转角下的挺柱升程 得出挺柱运动规律 现代汽车发动机都不采用几何凸轮的原因是 在几何凸轮的各段圆弧和直线的衔接处凸轮轮廓的曲率半径有突变 相应地从动件运动加速度和惯性力有突变 这不利于上高速 先给定轮廓尺寸再计算挺柱运动规律不便于设计优化 由于挺柱运动规律是影响气门机构弹性振动情况的关键因素之一 必需通过气门机构动力学分析进行优选 几何凸轮只能先给出若干组不同的轮廓尺寸 算出若 15 2气门机构的运动学与动力学 干个不同的挺柱运动规律提供动力学分析择优 这样就不仅多一道计算手续 而且由于无法预测轮廓尺寸变化所带来的挺柱运动规律的变化程度 会使选择的范围有盲目性和局限性 函数凸轮现代汽车发动机都采用函数凸轮 即不给出凸轮轮廓而给定挺柱升程随凸轮转角的变化规律 在凸轮的加工图纸上就体现为凸轮升程数据表 函数凸轮的轮廓就是根据挺柱升程表作出的许多条挺柱底面轮廓线 直线或圆弧 的内包络线 在设计函数凸轮时 对于任何一种函数形式 如高次多项式 低次多项式组合 谐波函数 只要改变函数式中的某些参数就可使挺柱运动规律灵活地改变 因而便于择优 15 3凸轮型线和气门弹簧的设计 凸轮轮廓的组成 整个凸轮轮廓由基圆 挺柱上升段和挺柱下降组成 其中上升段和下降段又都各分为过渡段 缓冲段 和工作段两部分 上升工作段和下降工作段在桃尖最大升程处相接 上升过渡段和下降过渡段各处在对应工作段与基圆之间 在过渡段上 挺柱升程很小 速度也很小 15 3凸轮型线和气门弹簧的设计 设置过渡段的目的 控制住气门的初速度和落座速度 由于气门间隙在发动机运转过程中会因一些零件的热膨胀和磨损而发生变化 如果没有过渡段 则在气门间隙较大时 气门会受到较大的初始速度冲击和落座速度冲击 加剧机构的振动 噪声以及气门和气门座锥面的冲击磨损 安排过渡段 并使过渡段升程大于折算到挺柱端的气门间隙最大可能值 则气门间隙消除时刻和气门落座时刻挺柱总在过渡段上 气门的初速度和落座速度得以控制 15 3凸轮型线和气门弹簧的设计 气门弹簧气门弹簧大多是圆柱形螺旋弹簧 簧圈中径与簧丝直径的比叫做 卷绕比 气门弹簧的卷绕比多在6 8之间 簧丝直径多在3 5mm之间 为避免弹簧在压缩时歪斜 两端的簧圈要在大约300 的范围内磨出相互平行并且垂直于弹簧中心线的平面作为支承面 并且端头要有一段与相邻的第二圈贴紧 因此弹簧总圈数比参与变形的有效圈数多出2 2 5圈 圆柱形螺旋弹簧各有效簧圈的节距相等时 弹簧的弹簧特性 弹簧力P与压缩变形量的关系是线性的 即弹簧刚度恒定 圆柱弹簧各有效簧圈的节距不等 或者弹簧是圆锥形的 则弹簧的弹簧特性是非线性的 弹簧刚度随着压缩变形量的加大而变大 这种变刚度弹簧的颤振较小 多用于高速发动机 15 3凸轮型线和气门弹簧的设计 气门弹簧的应力是交变的 弹簧的疲劳强度极限既与其材料的力学性能 弹簧的加工质量及表面强化工艺等有关 也与应力循环特征有关 弹簧表面若有损伤 折叠等缺陷 其疲劳强度就下降 所以气门弹簧在生产中要逐个进行磁力探伤 对弹簧进行喷丸处理 使其表面细微的发痕闭合并形成有挤压应力的表面层 可显著提高弹簧的疲劳强度 已是汽车发动机气门弹簧常规的优化措施 此外 为防止弹簧在使用中因锈蚀而损坏表面 还要进行发兰 镀锌 磷化等耐蚀和防锈的处理 气门弹簧常用材料有65Mn 60Si2Mn 50CrVA等 15 3凸轮型线和气门弹簧的设计 有些发动机 主要是缸径较大的柴油机 的气门弹簧由内 外两个簧组成 二者的螺旋方向相反 以免互夹簧丝 用双簧的好处只在于可减小布置弹簧的空间 多数汽油机每个气门只用一个气门弹簧 用变节距的办法或者在固定端套一个配合较紧的摩擦阻尼圈的办法来减振 防止气门落入气缸的最好办法还是在气门杆上端 弹簧座下 加卡环 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 15 4 1气门 气门座与导管15 4 1 1气门气门设计中要考虑的主要问题有气流通过能力 气门与气门座的密封 气门的冷却与热负荷 材料 润滑与磨损等 气流通过能力这是进气门设计中的主要问题 通常用所谓 进气口马赫数 M作为参考指标 M就是进气口的平均条件流速与音速之比 若M 0 5 发动机的充气系数将大为减小 故以M 0 5为界限 为了尽可能提高进气口平均流量系数 以降低进气口马赫数M 在结构设计上要注意以下几点 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 进气门的升程直径比宜取为0 25 0 28 进气门头的外径到气缸壁 或燃烧室壁 的最小距离不小于0 03D 同一气缸的两进气门头之间的最近距离不小于0 12D 进气门头部以20 左右的背锥面和较大半径的曲面向气门杆圆滑过渡 进气门座的内孔宜加工成曲面 喉口直径dh宜比气门头小端直径d1大出 0 8 1 5 mm 排气门通过能力对发动机性能的影响较小 故在排气门数目与进气门数目相同时 取排气门直径小于进气门 而且排气门座孔不加工成曲面 排气门头部到杆身的过渡弧半径也小于进气门 排气门头的底面或是平面或稍向外凸起 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 气门头与气门座的密封气门头和气门座以锥面贴紧 靠气门弹簧预紧力和缸内气压力压紧以保持密封 如果因气门座及气门头部变形或者因锥面上有未清除的积炭而密封不良 则将导致漏气 气门过热以至于烧损 因此保证密封是个重要问题 气门锥面角的确定如图 作用于锥面的法向力和磨擦力二者在气门中心线方向的分力之和与弹簧预紧力及气门头所受气体作用力之和相平衡 在弹簧预紧力及气体作用力相同时 锥面角越小则密封力越小 这有利于减小密封面的摩擦磨损 但不利于挤碎积炭保证密封 较小的锥面角还使气门开启初期同一气门升程下的气流通过面积较大 有助于提高气门口平均流量系数 所以排气门和非增压发动机进气门的锥面角一般都取为45 增压发动机的进气门则常取为30 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 气门座锥面角的确定气门座的锥面角通常加工得比气门头锥面角大0 5 1 然后通过配对研磨形成宽1 0 2 0mm的密封带 密封带宽些有利于散热而不利于密封 气门的冷却和热负荷气门头部朝向气缸的顶面受热 通过气门座和气门导管散热 经过气门座传出的热量约占75 排气门的最高温度一般在600 以上 汽油机排气门可能高达800 以上 是发动机中热负荷最严重的零件 考虑到钢材的强度极限随着温度的上升而下降 必须尽可能降低气门温度以提高其可靠性 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 在结构设计上有助于降低气门温度的一般性措施有 导管尽可能靠近气门头部 即喉口深度H要尽量小以减少受热面积 当然过小会影响气流 气门座与气缸盖的配合要保证在热态仍有一定过盈以利传热 这也是防止气门座脱落所必需的 气缸盖的冷却水套尽量靠近气门座和气门导管 同时加强两气门之间 鼻梁区 的冷却 同一气缸的两排气门头外圆间的最小距离不要小于0 13D 进气门头和排气门头之间的最小距离不小于0 12D 气门头不要过薄 一般取为 0 1 0 12 dv 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 每缸4气门的优点 有助于降低气门的热负荷 因为每一气门的受热面积减少了 到气门座的传热距离也减小了 钠冷却的气门 在强化程度很高的赛车 军车发动机里 当一般措施还不能把排气门温度降到允许界限之内时 常采用中空气门 充入熔点为98 的金属钠 或钾和钠的混合物 发动机工作时充入物成液态 在气门中晃荡 有助于气门头向较冷的杆部散热 但气门成本高 气门的材料气门材料应能在气门工作温度下保持高的强度并耐腐蚀 进气门工作温度较低 一般用含有少量Ni Cr Si的低合金钢 如40Cr 38CrSi 4Cr9Si2等 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 排气门材料则有下列两类 马氏体钢 可用于工作温度低于650 的排气门 其工艺性好 也较耐磨耐腐蚀 膨胀系数小 奥氏体钢 允许最高工作温度到880 抗蚀 但耐磨性不及马氏体钢 膨胀系数也较大 价格较高 组合气门 由于气门头部和杆身的温度水平不同 杆身应有良好的摩擦磨损特性 有些发动机采用不同材料制成排气门的头部 用奥氏体钢 和杆身 用马氏体钢 焊接成一体 气门的表面处理 有些发动机的进 排气门进行盐浴氮碳共渗处理 俗名黑色液体软氮化 在表面形成化合层和黑色氧化膜 可提高表面硬度 提高耐磨耐蚀性能和疲劳强度 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 气门杆端面与摇臂滑擦 应有很高的耐磨性 HRC大于50 气门头部密封锥面也应有较高的高温硬度 这两处通常要淬火 马氏体钢 或堆焊硬质合金层 也有利用激光使涂在表层的硬质金属粉末与基体互熔而形成合金化表层的 气门杆的润滑及其它气门杆端面与摇臂之间和气门杆与导管之间需要润滑 润滑油一般是通过中空的摇臂轴或中空的推杆 再经摇臂中的油孔送到这两处的 润滑应充分 但也不可过多 为了控制润滑油量 气门杆与导管的间隙要适当 还有不少发动机在气门导管上端套一个橡胶挡油罩 气门杆上装锁夹的凹槽要浅些 宜为圆环槽 滚压并磨光 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 15 4 1 2气门弹簧座和气门转动装置气门弹簧上座通过锥面使两片锁夹紧抱气门杆 因此弹簧力不仅仅通过锁槽传递 也部分地通过气门杆直接传递 气门弹簧上座和下座都以外圆配弹簧的内径使弹簧定位 由于弹簧在压缩时其外径会有所增大 所以不能用弹簧外径定位 为了能随时清除气门头锥面上的积炭 并使气门头部温度沿周分布均匀 宜使气门缓慢转动 所以可使用气门旋转装置 如图是最常用的一种气门旋转装置 它装在气门弹簧与缸盖之间代替气门弹簧下座 气门每启闭一次就向一定的方向转过一个角度 转动是在气门离座的状态发生的 不会引起气门座的磨损 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 15 4 1 3气门座和气门导管气门座锥面和气门一样受高温气体吹刷 受冲击载荷 要求较高的硬度 铝合金缸盖必须采用镶入的气门座圈 铸铁缸盖也大多采用镶圈 磨损后可更换 气门座圈材料应在工作温度下塑性变形小且硬度下降少 多用合金铸铁 也有用奥氏体钢 司太立特类合金或粉末冶金材料的 气门座圈的厚度多为其内径的0 08 0 15倍 高约为其厚度的2倍 座圈与缸盖的过盈配合要选择恰当 既要使座圈及相配的缸盖底孔部分的装配应力小于材料的屈服极限 又要保证发动机运行时气门座圈不松动 不脱落 以免气门过热或发生破坏性事故 气门座圈应以全长镶入缸盖 避免其外圆下角接触高温燃气 缸盖中装气门座圈的部分应有足够刚度并尽可能均匀地被冷却 以减少气门座的变形 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 气门导管的长度宜取为气门杆直径的7倍 壁厚3mm 以不大的过盈压入缸盖 气门导管材料应有很好的摩擦磨损性能 常用合金铸铁或铁基粉末治金材料 15 4 2凸轮轴 挺柱 摇臂15 4 2 1凸轮轴凸轮轴设计中要考虑的主要问题有 确定凸轮轴的结构型式 主要尺寸和进气 排气凸轮的相对位置 确定凸轮轴的材料和工艺 保证凸轮 从动件之间有足够高的抗擦伤能力和抗接触疲劳的能力 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 凸轮轴的结构型式汽车发动机的凸轮轴上有若干个支承轴颈而相邻轴颈间排列着进气和排气凸轮 汽油机凸轮轴上多数还有驱动汽油泵的偏心轮和驱动分电器 机油泵的螺旋齿轮 装配发动机时凸轮轴大多从机体的一端插入 只有一部分凸轮轴顶置的发动机采用剖分式轴承座而无需将轴插入 有些发动机为了安装方便 还特意把凸轮轴各轴颈做成不一样大的 沿着轴插入机体的方向逐个减小 凸轮轴有整体式和组合式两种 整体式凸轮轴采用整根模锻的或铸造的毛坯 直接在轴上加工出各轴颈 凸轮 偏心轮等 组合式凸轮轴则由芯轴和各凸轮 支承轴颈 偏心轮等多件组合而成 联接方式有键联接 热压配合 钎焊 烧结等多种 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 组合式凸轮轴的优点主要是可以分别为凸轮 支承轴颈 芯轴等选用各自适宜的材料 可以减小凸轮磨削余量 轻 对于顶置的凸轮轴来说 往往需要通过凸轮轴中的油孔向各个凸轮 摇臂接触面 螺旋齿轮副等处供润滑油 采用芯轴为钢管的凸轮轴就可以取消在轴中钻长油孔的工序 组合式凸轮轴的成本较低而使用寿命较长 凸轮轴主要尺寸的确定凸轮轴的轴向尺寸 支承轴颈间距 凸轮轴向位置等 决定于发动机的总布置 支承轴颈的数目对气门机构刚度有明显影响 多数汽车发动机用全支承凸轮轴 只在缸径小而强化程度低的发动机上才用半支承轴 凸轮轴各凸轮在轴端视图上的周向位置 不同气缸的同名凸轮之间的位置角决定于各缸发火顺序 而同一气缸的排气凸轮顺凸轮轴旋转方向超前于进气凸轮的位置角 则应能实现发动机配气相位图所要求的 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 凸轮轴的材料凸轮轴上支承轴颈 凸轮 螺旋齿轮等的工作条件和要求不同 组合式凸轮轴可以对这些部分分别考虑 选用适宜的材料和热处理方法 整体凸轮轴用单一材料 选材只能以满足凸轮 从动件摩擦副的耐磨要求为首要考虑 适当兼顾其它方面 常用的凸轮轴材料有 低碳钢 20钢 15Cr 20Cr 20Mn2等 凸轮 支承轴颈和螺旋齿轮渗碳淬火或碳氮共渗淬火 中碳钢 45钢 45Mn2等 凸轮 支承轴颈及螺旋齿轮表面中 高 频淬火 合金铸铁 含Ni Cr或Cr Mo Cu 凸轮及支承轴颈表面冷激 可淬硬铸铁 中 高 频淬火 球墨铸铁 等温淬火 15 4气门机构主要零部件的结构与材料 除了上述材料选择 表面硬度和金相组织外 把凸轮和支承轴颈表面磨光也是提高凸轮 从动件摩擦副寿命的必要措施 凸轮轴在机体中的支承与轴向定位凸轮轴的支承 凸轮轴的轴承负荷不大 多采用钢背巴氏合金或锡青铜薄壁衬套 或不用衬套而直接支承于铸铁机体或铝合金机体的凸轮轴 凸轮轴的轴向定位 凸轮轴端的斜齿正时齿轮以及汽油机凸轮轴常有的螺旋齿轮都产生对凸轮轴的轴向力 凸轮轴应能在轴向受力情况下保持一定的轴向位置不变 以免发动机的配气相位因斜齿正时齿轮及各惰齿轮的相对轴向错位而发生变化 或避免因各链轮轴向错位而使链条和链轮不能平顺地啮合 因此 结构上要安排凸轮轴的轴向定位 只允许有游隙0 1 0 2mm 图中的第三种轴向定位方式