汽车基础发动机维修6

167项目三配气机构168目录任务1配气机构认知任务2气门组任务3气门传动组任务4配气相位的检查169任务1配气机构认知170学习目标1.掌握配气机构的组成及作用。2.掌握配气机构的分类。3.掌握配气机构的工作原理。171任务描述通过本任务的学习，学生应能正确描述配气机构的组成、作用、分类及工作原理，并准确识别配气机构的各组成部件，说出部件名称。172相关知识一、配气机构的组成及作用配气机构主要由气门组和气门传动组两部分组成，如下图所示。配气机构的组成173其作用是按照发动机工作循环的需要，在精确的时刻打开和关闭进、排气门，确保足量的可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）进入气缸，并将燃烧后的废气尽可能充分地排出气缸，同时在需要时保证气缸的密封性。174二、配气机构的分类1.按气门位置分类配气机构按气门位置分类可分为气门侧置式和气门顶置式，具体详见下表。配气机构按气门位置分类175配气机构按气门位置分类1762.按凸轮轴位置分类配气机构按凸轮轴位置分类可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式，具体详见下表。配气机构按凸轮轴位置分类177配气机构按凸轮轴位置分类1783.按凸轮轴驱动方式分类配气机构按凸轮轴驱动方式分类可分为齿轮传动式、链条传动式和齿形带传动式。（1）齿轮传动式。曲轴通过齿轮组直接或间接驱动凸轮轴，如图所示。此种方式具有传动刚性高、寿命长、噪声低的优点，但成本较高，多用于凸轮轴下置式发动机（尤其是柴油机）。齿轮传动式179（2）链条传动式。曲轴通过滚子链或齿形链驱动凸轮轴（需张紧器控制松紧），如图所示。此种方式具有可靠性高、寿命较长的特点，但高速时可能产生噪声，需定期维护。适用于中置或上置凸轮轴的发动机。链条传动式180（3）齿形带传动式。曲轴通过齿形带（正时皮带）驱动凸轮轴（需张紧轮导向），如图所示。此种方式具有运行安静、重量轻、成本低的优点，但需定期更换。齿形带传动式1814.按发动机每缸气门数量的不同分类配气机构按发动机每缸气门数量的不同可分为两气门式和多气门式。（1）两气门式。即每缸采用一个进气门、一个排气门，如图所示。两气门式主要用于小排量低速发动机，其设计相对简单，结构较为紧凑。（2）多气门式。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，为保证良好的换气质量，某些发动机会采用每缸多气门的结构形式。两气门布置方式182三气门发动机即每缸采用两个进气门、一个排气门。由于结构布置的需要并为保证足够的排气流通面积，其单个排气门的头部直径通常大于单个进气门的头部直径，如图所示。三气门布置方式183五气门发动机通常每缸采用三个进气门，两个排气门。这种结构能够明显增加进气量，如图所示。五气门布置方式184四气门发动机的气门布置方式有两种：一种是同名气门（同为进气门或同为排气门）并列布置，另一种是同名气门纵列布置，如图所示。四气门布置方式a）同名气门并列布置b）同名气门纵列布置185◆同名气门并列布置即两个同名气门平行排列，如上图a所示。这种布置形式通常由一个凸轮通过T形摇臂同时驱动两个气门，因此所有气门都可以由单根凸轮轴驱动。但这种形式下，两个同名气门在气道中的位置可能存在差异，可能导致它们的工作状态（或气流特性）不一致。◆同名气门纵列布置即两个同名气门呈直线排列，如上图b所示。这种布置避免了并列布置的缺点，但通常需要采用双凸轮轴驱动。186在发动机设计中，柴油机通常是将进、排气门（及其对应的气道出口）分别布置在气缸盖的两侧。这样做主要是为了避免低温进气在流经气缸盖时，受到高温排气道和缸盖本体的过度加热，从而保证较高的充气效率。汽油机则常将进、排气歧管布置在气缸盖的同一侧。这种设计的目的是利用排气歧管产生的废气余热对邻近的进气歧管进行预热，有助于改善燃油雾化和油气混合均匀性，并提升冷起动性能和降低冷起动排放。187三、配气机构的工作原理发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮的凸起部分顶起挺柱时，挺柱推动推杆上行，通过推杆将力作用于摇臂，驱动摇臂绕其轴转动。摇臂的另一端向下压气门（克服气门弹簧弹力），使气门下行开启，如下图a所示。随着凸轮轴继续转动，当凸轮的凸起部分离开挺柱时，气门在气门弹簧弹力的作用下向上运动（回位），关闭气门，如下图b所示。188四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两圈（720°），各缸的进、排气门各开启一次，此时凸轮轴旋转一圈（360°）。因此，曲轴与凸轮轴的转速比（传动比）为2∶1。配气机构工作原理a）气门开启b）气门关闭189任务2气门组190学习目标1.掌握气门组各组成部件的结构及工作原理。2.能够对气门组进行拆装与检修。191任务描述通过本任务的学习，学生应能正确描述气门组的构造、组成及功能，并熟练运用各种工量具对气门组进行拆装和检修。192相关知识气门组是发动机配气机构的核心组成部分之一，主要负责气门的开启和关闭，以实现气缸的进气和排气功能，并保证燃烧室的密封性。其主要组成部件包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等，如图所示。气门组的组成193一、气门1.气门的结构气门按照作用分类可分为进气门和排气门，其结构相似，都由头部和杆部两部分组成，如图所示。气门194（1）气门头部。气门头部是一个具有圆锥面（锥面）的圆盘，锥面的锥角称为气门锥角，一般为45°，少数进气门锥角采用30°，如图所示。气门锥角195气门密封锥面与气门座锥面接触形成的环形密封区域，称为气门密封带，其位置应处于气门密封锥面的中部，宽度应符合厂家设计要求。气门头部圆盘边缘一般保持1～3mm的厚度，其作用是防止工作中因冲击而损坏以及受高温烧蚀。气门密封锥面需与气门座锥面配对研磨。多数发动机进气门头部直径比排气门大，若两气门头部直径相等，一般会在排气门上作标记以示区分。196气门头部形状会影响气流特性，一般有平顶、凹顶和凸顶三种，如图所示。气门的头部形状a）平顶b）凹顶c）凸顶197◆平顶结构简单，制造方便，受热面积小，进、排气门均可采用，是目前应用最广泛的结构。◆凹顶头部呈漏斗形，气流阻力小，可改善进气流动性，但受热面积大，一般用于进气门。◆凸顶头部强度高，排气阻力小，耐高温性好，但重量较大，通常用于排气门。198（2）气门杆部。气门在导管中上下运动，依靠气门杆部承担导向和导热功能。因此，对气门杆部表面的加工精度和耐磨性要求较高，使气门与气门导管之间保持合理的间隙，以确保气门运动的精确导向，并防止在气门关闭（尤其是排气门）时高温气体沿杆部与导管间隙泄漏。199气门杆部的尾端形状取决于气门弹簧的固定方式，主要有锁销式和锁夹式两种。锁销式在气门杆部的尾端钻有一个径向孔，用于安装锁销；锁夹式在气门杆部的尾端加工有环形槽，用于安装锥形锁片（锁夹），如图所示。气门弹簧的固定方式a）锁夹式b）锁销式2002.气门间隙发动机工作时，气门及其传动件会因温度升高而膨胀。若气门组件在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下受热膨胀会引起气门关闭不严，从而导致发动机在压缩和做功冲程中漏气，造成功率下降，严重时甚至还会导致起动困难。为消除此现象，在发动机冷态装配时，通常会在气门杆部尾端与传动机构（摇臂或挺柱）之间预留适当间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。201该间隙称为气门间隙，如图所示。若是采用液压挺柱的发动机，可自动补偿热膨胀引起的长度变化，因此无需预留气门间隙。气门间隙a）有气门间隙b）无气门间隙202气门间隙的大小一般由发动机制造厂商根据试验确定。一般冷态时，进气门间隙值为0.25～0.3mm，排气门间隙值为0.3～0.35mm。如果间隙过小，热态下会导致漏气，发动机功率下降，甚至烧坏气门；间隙过大，会使传动零件之间以及气门和气门座之间造成很大冲击，产生严重的磨损和明显的噪声，同时使气门的开启持续时间缩短，气缸进气不充分，排气不彻底。203二、气门导管气门导管（如所图示）的核心功能包括导向、散热以及润滑管理，其性能直接影响气门寿命、发动机功率和润滑油消耗效率。气门导管2041.导向作用——为气门杆的往复运动提供精准直线导向，确保气门头部与气门座紧密贴合，维持燃烧室密封性。2.散热作用——通过金属接触，传导气门杆的高温至气缸盖，防止气门因过热而烧蚀或卡死。3.润滑管理——与气门油封协同控制润滑油流动，既润滑气门杆与导管间的摩擦副，又防止过量润滑油进入燃烧室造成烧润滑油或积碳。205三、气门座气门座与气门头部共同对燃烧室起密封作用，并传导气门传来的热量。气门座有两种：一种是在气缸盖上直接镗削加工而成；另一种是用合金铸铁或奥氏体钢单独制作成气门座圈，用冷缩法镶入气缸盖中，如图所示。气门座圈206气门座锥面需与气门锥角匹配，以确保二者紧密座合实现可靠密封。气门座锥面由三部分组成（如图所示）：◆45°（30°）主密封带与气门工作锥面贴合，宽度通常为1～3mm，需与气门锥面中部区域完全接触。◆15°上修正面控制密封带的径向位置（防止气门偏移）。◆75°下修正面调节密封带的轴向宽度（确保应力均匀分布）。气门座锥面207四、气门弹簧气门弹簧的作用是确保气门自动回位关闭以实现密封，同时维持气门与气门座之间的座合压力，并吸收气门启闭过程中传动零件的惯性力。气门弹簧在工作中承受频繁的交变载荷。为保证其可靠工作，需具备合适的弹力、足够的静强度和疲劳强度。208气门弹簧为圆柱形螺旋弹簧，按螺距可分为等螺距、不等螺距和双旋向缠绕式（防共振型）三种，如图所示。其底端支撑于气缸盖上，顶端压紧气门杆端的弹簧座。该弹簧座通过锁止卡簧固定在气门杆末端。为确保受力均匀，弹簧两端面需精密磨削并严格垂直于轴线。气门弹簧a）等螺距弹簧b）不等螺距弹簧c）双旋向缠绕式（防共振型）209任务3气门传动组210学习目标1.掌握气门传动组各组成部件的结构及工作原理。2.能够对气门传动组进行拆装与检修。211任务描述通过本任务的学习，学生应能正确描述气门传动组的构造、组成及功用，并熟练运用各种工量具对气门传动组进行拆装和检修。212相关知识气门传动组包括驱动气门动作的所有零部件，其组成因配气机构的形式不同有所区别，主要包括正时齿轮（正时链轮、传动链，或正时带轮、齿形带）、凸轮轴、挺柱、摇臂等，如图所示。气门传动组的作用是将凸轮轴的旋转运动准确地转换成气门的往复直线运动，并按发动机工作循环和点火顺序的要求，准时地开启和关闭进、排气门，同时保证气门有足够的升程。气门传动组213一、凸轮轴凸轮轴是气门传动组的主要部件，它的作用是控制气门的开闭及升程的变化规律。下置凸轮轴式发动机，还依靠凸轮轴来驱动汽油泵、机油泵和分电器等。1.凸轮轴的结构凸轮轴主要由凸轮和轴颈两部分组成，如图所示。凸轮轴的结构214一般采用优质钢模锻而成，也有用合金铸铁或球墨铸铁铸造而成的。凸轮与轴颈表面经过热处理，具有足够的硬度和耐磨性。单凸轮轴配气机构一般是将进气凸轮和排气凸轮布置在同一根凸轮轴上。双上置凸轮轴配气机构则是一根进气凸轮轴，布置有进气凸轮；一根排气凸轮轴，布置有排气凸轮。（1）凸轮轴轴颈：用于支承凸轮轴，通常采用全支承和非全支承（半支承）两种支承方式。（2）凸轮轴的轴向定位：为了防止凸轮轴轴向窜动，必须设置轴向定位装置。多数发动机凸轮轴采用止推凸缘定位。当凸轮轴产生轴向移动时，止推凸缘会与凸轮轴轴颈端面或正时齿轮毂接触，从而防止轴向窜动。2152.凸轮轴的工作原理发动机工作时，曲轴通过传动链或齿形带驱动凸轮轴旋转。在进气冲程开始时，进气凸轮凸起部分推动摇臂绕轴转动，摇臂的一端克服气门弹簧弹力，推动气门离开气门座圈下行，使进气门打开。随着凸轮轴继续旋转，当凸轮凸起部分离开摇臂时，气门在气门弹簧的作用下上行落座，进气门关闭。同样在排气冲程，排气凸轮通过摇臂驱动排气门打开，如图所示。凸轮轴的工作原理a）气门开始打开b）气门升程最大c）气门关闭216凸轮轴上置式配气机构的另一种形式是凸轮轴直接驱动气门，使配气机构更加简洁，如图所示。凸轮轴直接驱动气门a）气门开始打开b）气门升程最大c）气门关闭217二、挺柱挺柱的作用是将凸轮轴凸轮的推动力传递给推杆，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。1.普通挺柱普通挺柱常见的类型有菌形、筒形和滚轮式三种，如下图所示。通常把挺柱底部工作面设计成球面，并将凸轮制成锥形，使两者的接触点偏离挺柱轴线。工作中，当挺柱被凸轮顶起时，接触点间的摩擦力会使挺柱绕自身的轴线旋转，以实现均匀磨损，延长使用寿命。2182.液压挺柱目前，多数汽车发动机都采用液压挺柱。液压挺柱利用其内部的自动补偿功能（通过油压推动内部柱塞），能够随时自动补偿气门间隙的变化（主要来源于热膨胀和磨损），因此不需要像普通挺柱那样预留固定的气门间隙。与普通挺柱相比，液压挺柱虽然自身结构更复杂，但简化了配气机构的维修过程（免除了定期调整气门间隙的需要），并消除了因气门间隙引起的冲击和噪声，提高了发动机运行的平顺性和静音性。普通挺柱a）菌形b）筒形c）滚轮式219（1）液压挺柱的构造常见的液压挺柱有杯形和柱状两种类型，如图所示。液压挺柱a）杯形液压挺柱b）柱状液压挺柱220液压挺柱的基本组成包括挺柱体、柱塞、单向球阀、柱塞回位弹簧等部件（注：根据实际设计，可能还包含单向球阀罩、卡环等），不同类型的液压挺柱对应的气门驱动机构形式也不相同，如图所示。

液压挺柱的构造及对应的气门驱动机构形式a）杯形液压挺柱的构造及气门驱动机构形式b）柱状液压挺柱的构造及气门驱动机构形式221液压挺柱的构造及对应的气门驱动机构形式a）杯形液压挺柱的构造及气门驱动机构形式b）柱状液压挺柱的构造及气门驱动机构形式222杯形液压挺柱：外形呈倒扣杯状，挺柱体顶部为封闭的厚实耐磨平面直接接触凸轮，挺柱体既是承力主体又是液压腔室。润滑油通过缸盖上的主油道、专门设计的量孔以及斜油孔进入挺柱体环形油槽，再经键型油槽进入位于柱塞上部的低压油腔，柱塞、安装在柱塞内部的单向球阀和单向球阀罩，与挺柱体的导向孔精密配合，共同构成了气门间隙的液压补偿组件。典型应用于顶置凸轮轴发动机，实现凸轮→外壳→气门的直接力传递，结构高度集成化。223柱状液压挺柱：形似圆柱筒，顶部中心带通风口用于接触摇臂，挺柱体主要起导向作用。核心液压组件（柱塞、单向球阀）位于内部，柱塞顶部承受摇臂力，通过内部油压将力传递至挺柱体底部推动气门。力传递路径为摇臂→柱塞→液压油→挺柱体→摇臂→气门，结构更接近传统机械挺柱。224（2）液压挺柱的工作原理杯形液压挺柱：当凸轮轴旋转至基圆段时，发动机润滑油通过侧壁油孔进入挺柱内部，推动柱塞上移以补偿气门间隙；凸轮顶起阶段，单向球阀锁闭油路，柱塞下方形成刚性液压支撑，将凸轮力通过挺柱体直接传递给气门。动态过程中，液压系统自动调节油量以适应磨损或热膨胀导致的间隙变化，保持气门零间隙运行，如图所示。杯形液压挺柱工作原理225柱状液压挺柱：摇臂或推杆下压柱塞顶部时，单向阀关闭使内部油液形成不可压缩的液压锁，力通过油液传递至柱塞底部并推动外壳移动，进而驱动气门；当外力解除后，弹簧推动柱塞复位，润滑油重新充入腔体补偿间隙。液压系统通过油压的自动平衡实现气门间隙的持续消除，确保传动无冲击，如图所示。柱状液压挺柱工作原理226三、摇臂及摇臂组1.摇臂摇臂的作用是将推杆或凸轮传来的力改变方向后，作用到气门杆端部以推开气门。摇臂是一个中间有圆孔、两边不等长的杠杆，其两臂长度的比值（称摇臂比）为1.2～1.8。长臂一端推动气门，短臂一端制成螺纹孔并安装气门间隙调整螺钉（使用液压挺柱的发动机无此结构），调整螺钉带有锁紧螺母，用于调整配气机构的气门间隙，如图所示。摇臂227摇臂一般用45号中碳钢模锻或球墨铸铁精密铸造而成。为提高耐磨性，其轴孔内镶有青铜衬套或装有滚针轴承，使之与摇臂轴配合转动；有些高速发动机摇臂采用轻质铸铝合金，并在圆弧面上堆焊耐磨合金。2282.摇臂组摇臂组由摇臂、摇臂轴、摇臂轴支承座及定位弹簧等组成，如图所示。摇臂通过摇臂轴支承在摇臂轴支承座上，摇臂轴支承座安装在气缸盖上；摇臂轴为空心管状结构。为防止摇臂窜动，每两个摇臂之间的摇臂轴上均装有定位弹簧。摇臂组的组成229任务4配气相位的检查230学习目标1.掌握配气相位的作用及原理。2.了解可变气门正时技术。3.熟悉配气相位的检查方法。231任务描述通过本任务的学习，学生应能准确描述配气相位的作用和原理，了解可变气门正时技术，对配气相位进行检查，并熟练更换正时链条（或正时传动带）。232相关知识配气相位是指进、排气门的实际开闭时刻，通常用曲轴转角表示。配气相位的各个角度可用配气相位图来表示，如图所示。配气相位图233理论上，四冲程发动机的进气门在曲拐处于上止点时开启，在曲拐转到下止点时关闭，排气门则在曲拐处于下止点时开启，在曲拐转到上止点时关闭，进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。但实际情况并非如此，由于发动机转速较高，一个冲程的时间极短，如四冲程发动机转速3000r/min时，一个冲程的时间只有0.01s，这样短的时间难以做到进气充分、排气彻底。为了改善换气过程，提高发动机性能，发动机气门的实际开启和关闭时机并非恰好在活塞的上、下止点，而是适当提前开启和迟后关闭，以延长进、排气时间，气门开启行程中曲轴转角都大于180°。234一、进气门的配气相位1.进气提前角在排气冲程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门开启。从进气门开始打开到活塞运行到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角，用

α表示，其范围一般为10°～30°。进气门早开，有利于提高充气量。2352.进气迟后角在进气冲程下止点过后，活塞又上行一段距离，进气门才完全关闭。从下止点到进气门完全关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角，用

β

表示，其范围一般为40°～80°。活塞到达下止点时，由于进气阻力的影响，气缸内压力仍低于大气压，且气流还有相当大的惯性，仍能继续进气。下止点过后，随着活塞的上行，气缸内压力逐渐增大，进气气流速度逐渐减小，至流速等于零时，进气门关闭最为适宜。若

β

角过大，会出现进入气缸的气体被重新压回进气管内。由上可见，进气门开启持续时间内的曲轴转角，即进气持续角为α+180°+β。236二、排气门的配气相位1.排气提前角在做功冲程末期，活塞尚未到达下止点时，排气门提前开启对应的曲轴转角，称为排气提前角，用γ表示，其范围一般为40°～80°。排气提前角的作用是在活塞到达下止点前开始排气，利用高温高压废气在做功冲程末期仍具有的较高压力，使废气加速排出，从而减少活塞上行时的排气阻力，使排气冲程所消耗的功率大为减少。排气提前角一定要适当，如果过大会导致做功冲程末期缸内压力过早释放，无法充分利用废气能量做功，反而降低热效率。2372.排气迟后角在排气冲程结束