第05章配气机构Word文档下载推荐.docx

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8-摇臂；

9-气门锁片；

10-气门弹簧座；

11-气门；

12-防油罩；

13-气门弹簧；

14-气门导管；

15-气门座；

16-曲轴正时齿轮；

Δ-气门间隙

二、气门式配气机构的布置型式

1．按凸轮轴的布置位置，可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式。

2．按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链条传动式和齿形带传动式。

3．按每缸气门数目，有二气门式、三气门式、四气门式和五气门式。

顶置气门、下置凸轮轴配气机构（OHV），如图5-1所示。

顶置气门、下置凸轮轴配气机构的凸轮轴位于气缸体侧部，或位于V型发动机气缸体的V型夹角内。

气门通过挺柱、推杆、摇臂传递运动和力。

下置凸轮轴离曲轴近，凸轮轴的驱动常通过一对齿轮实现。

这种配气机构因传动环节多、路线长，在高速运动下，整个系统容易产生弹性变形，影响气门运动规律和开启、关闭的准确性。

因此多用于转速较低的发动机。

顶置气门、中置凸轮轴式配气机构中的凸轮轴位于气缸体的上部，与凸轮轴下置式配气机构的组成相比，减少了推杆，从而减轻了配气机构的往复运动质量，增大了机构的刚度，更适用于较高转速的发动机。

顶置气门、上置凸轮轴配气机构（OHV／OHC）如图5-2所示。

顶置气门、上置凸轮轴配气机构的凸轮轴安装在气缸盖上，它可以直接驱动沿气缸体纵向排成一列的两个气门，也可以通过摇臂驱动气门，如图5-2b所示。

为了减小气门的侧向力，凸轮轴与气门杆顶部间设有气门导筒或摇臂，如图5-2所示。

图5-2顶置气门、上置凸轮轴配气机构示意图

a-凸轮直接驱动气门；

b-凸轮通过摇臂驱动气门

1-垫片；

2-挺柱；

3-凸轮轴；

4-气门弹簧座；

5-锁片；

6-气门弹簧；

7-气门导管；

8-气门杆；

9-气门头部；

10-气门座圈；

11-摇臂

如果两个气门沿气缸体纵向分别排成两列，则可采用顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴的配气机构，如图5-3所示。

该配气机构用一个凸轮轴通过进、排气凸轮和两个摇臂分别控制进、排气门。

图5-3顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴配气机构示意图

上述两种配气机构布置紧凑，减少了传动环节，高速性能很好。

但凸轮轴离曲轴较远，如用齿轮传动则较复杂。

在中小功率发动机上，由于齿形带的开发，可容易解决远距离的凸轮轴驱动。

每缸2个气门的发动机，虽然尽量加大气门，特别是进气门头部直径，但因受燃烧室空间的限制，气门直径一般不能超过气缸直径的一半，因而不能保证高速内燃机良好的换气品质。

目前在一些气缸直径小于100mm的内燃机，特别是高速汽油机中，较多的采用每缸四气门结构或三气门、五气门结构。

采用多气门结构后，能够让尽可能多的新鲜混合气或空气进入气缸内，使单位气缸工作容积发出更多的功；

同时每个气门直径的减小，可适当降低气门的温度，有利于减轻气门的热负荷与机械负荷，提高了气门的刚度与工作可靠性。

试验证明，四气门比二气门能增大功率和转矩15％，油耗可降低5％。

由于气门的相位角和重叠角减小，有害废气排放可减少。

如奥迪1.8T四缸汽油机，每缸从两个气门增加为四个气门（二进二排），进气面积增加30％，排气面积增加50％，功率增大25％。

图5-4顶置气门、上置双凸轮轴配气机构示意图

1-排气门；

2-气门调整盘；

3-排气凸轮轴；

4-进气凸轮轴；

5-进气门

顶置气门、上置双凸轮轴配气机构（OHV／DOHC），如图5-4所示。

顶置气门、上置双凸轮轴配气机构是放在气缸盖上的两根凸轮轴通过气门导筒或气门调整盘，分别控制气缸盖上两列进气门和排气门（即同名气门是沿气缸体纵向排列）的。

这种配气机构没有传动环节，其高速性最佳。

对于每缸采用三气门（两个进气门，一个排气门）和五气门（三个进气门和两个排气门）的发动机，其气门的驱动方式与四气门驱动方式类似。

三、配气机构的传动

曲轴通过齿轮副或链传动或齿形带传动来驱动凸轮轴，凸轮轴再带动摇臂或直接推动进、排气门。

由于曲轴与凸轮轴之间驱动方式不同，配气机构的传动有齿轮驱动、链条驱动和齿形带驱动三种。

四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，凸轮轴只旋转一周，各缸的进、排气门各开启—次，故曲轴与凸轮轴转速之比（即传动比）应为2：

1。

1．齿轮驱动形式

采用齿轮副来驱动凸轮轴，凸轮轴正时齿轮的齿数为曲轴正时齿轮齿数的二倍。

凸轮轴下置时，两轴距离较近，一般都采用齿轮副驱动。

若两轴距离稍远时，可加装中间齿轮。

为了啮合平稳，减小噪声，在中、小功率发动机上，采用斜齿轮传动，曲轴正时齿轮用钢来制造，而凸轮轴正时齿轮则用铸铁或夹布胶木制造，如图5-5所示。

图5-5齿轮传动及正时记号

a-一对正时齿轮的传动；

b-加中间情轮的齿轮传动

A-凸轮轴正时齿轮记号；

B-曲轴正时齿轮记号

1-喷油泵正时齿轮；

2、4-中间惰轮；

3-曲轴正时齿轮；

5-机油泵传动齿轮；

6-凸轮轴正时齿轮

2．链条驱动形式

链条式驱动，是指曲轴通过链条来驱动凸轮轴，如图5-6所示。

这种驱动形式一般多用于凸轮轴上置的远距离传动。

为使在工作时链条具有一定的张力而不致脱链，通常装有导链板14，张紧轮装置2、11等。

图5-6汽油机凸轮轴的链条传动装置示意图

1-凸轮轴链轮；

2-上链条张紧轮；

3-张紧轮导向套筒；

4-压紧弹簧；

5-锁紧螺母；

6-张力调整螺钉；

7-张紧轮导向销；

8-导向销锁紧螺母；

9-上链条；

10-下链条；

11-下链条张紧轮；

12-曲轴链轮；

13-中间链轮；

14-导链板

3．齿形带驱动形式

这种驱动形式与链驱动的原理相同。

只是链轮改为齿轮，链条改成齿形带，如图5-7所示。

这种齿形带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以增加强度。

齿形带驱动与链条驱动相比具有齿形带伸长量小、噪声低、质量轻、成本低、工作可靠和不需要润滑等优点。

因此，现代轿车高速发动机大多数采用齿形带传动。

为了确保传动可靠，齿形带保持一定张紧力，为此，在齿形带传动机构中设置张紧装置。

图5-7双顶置凸轮轴的传动布置图

（一）

a-空间布置图；

b-平面布置图

1-曲轴正时齿带轮；

2-正时对正记号；

3-齿形带；

4-张紧轮；

5-进气凸轮正时记号；

6-凸轮轴正时齿带轮；

7-排气侧正时记号；

8-导向轮；

9-水泵齿带轮

图5-8双顶置凸轮轴的传动布置图

（二）

1-连接齿形带；

2-连接齿形带张紧轮；

3-导向轮；

4-曲轴正时齿带轮；

5-主齿形带张紧轮；

6-水泵齿带轮；

7-导向轮；

8-主齿形带

四、每缸气门数及其排列方式

1．每缸两个气门方式

一般发动机较多地采用每缸两个气门，即—个进气门和一个排气门。

这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善气缸的换气。

但是，由于燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过气缸直径的一半。

当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能满足发动机对换气的要求。

当每缸用两气门时，大多数采用所有气门沿机体纵向轴线排成一列的方式。

这样，相邻两缸的同名气门就有可能合用一个气道，以使气道简化并得到较大的气道通过截面；

另一种是将进、排气门交替布置，每缸单独用一个气道，这样有助于气缸盖冷却均匀。

2．每缸四个气门方式

在很多新型汽车发动机上采用每缸四气门的结构，即两个进气门和两个排气门，采用这种形式后，进气门总的通过断面较大，充气效率较高，排气门的直径可适当减小，使其工作温度相应降低，提高了工作可靠性。

采用直接喷射式燃烧室或预燃室燃烧室的大功率高速柴油机，如果采用每缸四气门的结构特别有利。

它可将喷油器或预热室布置在气缸的中央位置，使混合气形成和燃烧更好，气缸盖的结构布局更为合理。

此外，采用四气门后还可适当减小气门升程，改善配气机构的动力性，四气门的汽油机还有利于改善排放。

如图5-9所示。

图5-9气缸四气门的布置示意图

a-同名气门排成两列；

b-同名气门排成一列

1-T形杆；

2-气门尾端的从动盘

当每缸采用四个气门时，气门排列的方案有两种：

（1）同名气门排成两列（图5-9a），由一个凸轮通过T形驱动杆同时驱动，并且所有气门都可以由一根凸轮轴驱动。

在这种布置中，两同名气门在气道中的位置不同，可能会使二者的工作条件和工作效果不一致。

（2）同名气门排成同一列（图5-9b）则弥补了上述缺点，但一般要用两根凸轮轴。

3．每缸五个气门方式

现代轿车发动机设计面临的主要任务是进一步降低燃油消耗和排放污染，提高动力性和减少噪声，另外还要降低成本。

新型奥迪轿车的V型六缸五气门发动机和捷达EAll3型四缸五气门发动机就采用五气门技术，如图5-10所示。

与四气门相比，采用每缸五气门的发动机其气门流通截面更大，充气效率更高。

在四气门发动机缸盖和五气门发动机缸盖上，气门可能的最大直径是不相同的。

对于四气门缸盖，气门的最大可能直径受火花塞和气门之间棱宽的限制，而对于五气门缸盖则主要受气门自身间棱宽的限制。

由于气门和火花塞的间距增大，就有可能在铸件设计时把火花塞座和排气道分开，从而使整个区域的冷却得到显著改善，这就确保五气门发动机尽管气缸充气效率高，而爆燃敏感性却极小。

因此每缸采用五个气门，为满足高性能指标要求提供了机会，可以实现燃油消耗低、转矩大及排污少，比四气门发动机达到的性能指标更好。

此外，如果将五气门技术与增压技术相结合，其性能指标的优势将更加明显。

当每缸采用五气门时，气门排列的方案通常是同名气门排成一列，分别用进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动。

捷达EAll3型发动机的五气门是采用铝合金材料铸造而成的整体式缸盖；

燃烧室采用了紧凑浴盆式，火花塞位于燃烧室中心，如图5-10所示。

图5-10五气门发动机燃烧室断面和气门布置示意图

1-进气门（3个）；

2-火花塞门；

3-排气门（2个）

五、气门间隙

发动机工作时，气门将因温度升高而膨胀，如果气门及其传动件之间，在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态时，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中漏气，而使功率下降，严重时甚至不易起动。

为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量，这一间隙通常称为气门间隙。

有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。

气门间隙的大小由发动机制造厂根据试验确定。

一般在冷态时，进气门的间隙为0.25mm～0.35mm，排气门的间隙为0.30mm～0.35mm。

如果气门间隙过小，发动机在热态下可能因气门关闭不严而发生漏气，导致功率下降，甚至气门烧坏。

如果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击响声，并加速磨损。

同时，也会使气门开启的持续时间减少，气缸的充气以及排气情况变坏。

第二节配气相位

在前述四冲程发动机的简单工作循环时，为了方便，曾把进、排气过程都看作是在活塞的一个行程内即曲轴转180°

内完成的，即气门开关时刻是在活塞的上下止点处。

但实际情况并非如此。

由于发动机转速很高，一个行程的时间极短，如四冲程发动机转速3000r／min时，一个行程时间只有0.01s，再加上用凸轮驱动气门开启需要一个过程，气门全开的时间就更短了，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，实际发动机的气门开启和关闭并不恰好在活塞的上下止点，而是适当的提前和迟后，以延长进排气时间。

也就是说，气门开启过程中曲轴转角都大于180°

。

用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。

配气相位的各个角度可用配气相位图（图5-11）来表示。

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，进气门便开始开启。

从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角（或早开角），用α表示。

α一般为10°

～30°

进气门早开，使得活塞到达上止点开始向下运动时，因进气门已有一定开度，所以可较快地获得较大的进气通道截面，减少进气阻力。

2．进气迟后角在进气冲程下止点过后，活塞又重新上行一段，进气门才关闭。

从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角（或晚关角），用β表示，β一般为40°

～80°

进气门晚关，是因为活塞到达下止点时，由于进气阻力的影响，气缸内的压力仍低于大气压，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，进气气流速度也逐渐减小，至流速等于零时，进气门便关闭的β角最适宜。

若β过大便会将进入气缸内的气体重新又压回进气管。

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。

二、排气门的配气相位

1．排气提前角在作功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。

从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角（或早开角），用γ表示，γ一般为40°

恰当的排气门早开，气缸内还有大约300kPa～500kPa的压力，作功作用已经不大，可利用此压力使气缸内的废气迅速地自由排出，等活塞到达下止点时，气缸内只剩约110kPa～120kPa的压力，使排气冲程所消耗的功率大为减小。

此外，高温废气的早排，还可以防止发动机过热。

但γ角若过大，则将得不偿失。

2．排气迟后角在活塞越过上止点后，排气门才关闭。

从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气迟后角（或晚关角），用δ表示，δ一般为10°

~30°

由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，且废气气流有一定的惯性，所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。

由此可见，排气门开启持续时间内的曲轴转角，即排气持续角为γ+180°

+δ。

图5-11配气相位图

a-配气相位表示法；

b-YC6105配气相位图

由于进气门关闭时，活塞上行距下止点已较远，其速度已相当大，因而进气迟后角的变化对气缸内的容积及充气量的影响较大。

所以，在配气相位的四个角中，进气迟后角的大小，对发动机性能的影响最大。

三、气门的叠开

由于进气门早开和排气门晚关，就出现了一段进排气门同时开启的现象，称为气门叠开。

同时开启的角度，即进气门早开角与排气门晚关角的和（α+δ），称为气门叠开角。

由于气门叠开时开度较小，且新鲜气体和废气流的惯性要保持原来的流动方向，所以只要叠开角适当，就不会产生废气倒排回进气管和新鲜气体随废气排出的问题。

发动机的结构不同、转速不同，配气相位也就不同。

有些增压柴油机的配气相位，其叠开角度较一般柴油机要大得多。

这是因为进气压力高，一方面不会发生废气倒流进入进气管的现象，另一方面除可使充气量更大外，新鲜空气可将气缸内的废气扫除干净。

虽有一部分新鲜空气会从排气门排出，并不消耗燃油。

同一台发动机转速不同也应有不同的配气相位，转速愈高，提前角和迟后角也应愈大，然而这在结构上很难满足。

现在都是按发动机的性能要求，通过试验来确定某一常用转速下较合适的配气相位，自然它也只能对这一转速最为有利。

随着电子技术的发展，一些可变配气相位和可变气门升程的控制机构已在轿车发动机上得到应用，这些内容将在第八章讲解。

第三节气门传动组

气门传动组的主要机件有凸轮轴及其驱动装置，包括挺柱、推杆、摇臂及摇臂轴等（图5-1~图5-4）。

一、凸轮轴

1．凸轮轴的功用与材料

凸轮轴是气门传动组中最主要的零件，用来驱动和控制各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位及气门开度的变化规律等要求。

此外，有些汽油机还用它来驱动汽油泵、机油泵和分电器等。

凸轮是凸轮轴的主要工作部分，它在工作时承受气门弹簧的张力和传动件的惯性力。

由于它与挺柱（或摇臂）接触近于线接触，接触面积小，单位压力很大，磨损较快，因而应有较高的耐磨性，并要特别注意两者之间材料及其热处理的组合，否则很容易在这对摩擦副的工作面上发生刮伤和剥落等损伤。

为了保证气门开闭规律的正确性，还应有足够的刚度。

为了满足工作条件的要求，凸轮轴多用优质碳钢或合金钢锻制，也可采用合金铸铁和球墨铸铁铸造。

凸轮轴上的轴颈和凸轮工作表面经表面高频淬火（中碳钢）或渗碳淬火（低碳钢）处理后精磨，以改善其耐磨性。

2．凸轮轴的构造

凸轮轴主要由凸轮、凸轮轴轴颈等组成。

对于下置式凸轮轴的汽油机还具有用以驱动机油泵、分电器的螺旋齿轮和驱动汽油泵的偏心轮（图5-12）。

图5-12六缸发动机凸轮轴

1-凸轮；

2-凸轮轴轴颈；

3-驱动汽油泵的偏心轮；

4-驱动分电器等的螺旋齿轮

（1）凸轮

凸轮的轮廓应保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位要求，且有合适的升程及其升降过程的运动规律。

凸轮的轮廓形状如图5-13所示。

O为凸轮轴的轴心，圆弧EA为凸轮的基圆，圆弧AB和DE为凸轮的缓冲段，缓冲段中凸轮的升程（升程即轮廓型线上某点较基圆半径凸出的量）变化速度较慢，圆弧BCD为凸轮的工作段，此段升程较快，C点时升程最大（图中A值），它决定了气门的最大开度。

不同机型凸轮的升程变化规律不同。

以下置式凸轮轴为例，凸轮的工作过程如下：

当凸轮按图中方向转过EA时，挺柱处于最低位置不动，气门处于关闭状态。

凸轮转至A点时，挺柱开始移动。

继续转动，在缓冲段AB内的某点M处消除气门间隙，气门开始开启，至C点时气门开度最大，而后逐渐关小，至缓冲段DE内某点N时，气门完全关闭。

此后，挺柱继续下落，出现气门间隙，至E点时挺柱又处于最低位置。

由于气门开始开启和最后关闭时均在凸轮升程变化较慢的缓冲段内，这就使气门杆尾端在消除气门间隙的瞬间和气门头落座的瞬间的冲击力均较小，有利于减小噪声和磨损。

MCN所夹的角φ为气门开启持续过程中凸轮轴的转角，它等于配气相位中气门开启持续角的一半。

由上可知，当气门间隙变小时，M和N两点下移，φ角增大，配气相位增大，反之亦然。

图5-13凸轮轮廓示意图

由图5-12可以看出，同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置是与既定的配气相位相适应的。

发动机各个气缸的进气（或排气）凸轮的相对角位置应符合发动机各气缸的发火次序和发火间隔时间的要求。

因此，根据凸轮轴的旋转方向以及各进气（或排气）凸轮的工作次序，就可以判定发动机的发火次序。

六缸四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴须旋转两周而凸轮轴只旋转一周，在这一期间内，每个气缸都要进行一次进气（或排气），且各缸进气（或排气）的时间间隔相等，即各缸进（或排）气门的凸轮彼此间的夹角均为60°

图5-12着火次序为1—5—3—6—2—4的六缸四冲程发动机的凸轮轴，从前端向后看凸轮轴旋转方向，任何两个相继发火的气缸进（或排）气凸轮间的夹角为360°

／6=60°

（2）凸轮轴轴颈由于凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支承在凸轮轴轴承孔内的，因此凸轮轴轴颈数目的多少是影响凸轮轴支承刚度的重要因素。

如果凸轮轴刚度不足，工作时将发生弯曲变形，这会影响配气定时。

下置式凸轮轴每隔1~2个气缸设置一个凸轮轴轴颈。

上置式凸轮轴基本上是每隔一个气缸设置一个凸轮轴轴颈。

上置式凸轮轴的轴承若为剖分式结构时，各凸轮轴轴颈的直径均相等。

下置式凸轮轴轴颈的直径由风扇端向飞轮端依次减小，目的是便于安装。

（3）凸轮轴轴承

凸轮轴轴承一般做成衬套压入整体式的座孔内，最后再加工，与轴颈配合。

其材料多与曲轴轴承相同，由低碳钢背内浇减摩合金制成，也有的用粉末冶金衬套或铜套。

（4）凸轮轴的轴向限位

为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力，凸轮轴都有轴向限位装置。

上置式凸轮轴通常利用凸轮轴轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈的两侧的凸肩进行轴向定位（图5-14a）。

其间的间隙Δ=0.1~0.2mm，也就是凸轮轴的最大许用轴向移动量。

对于中置式和下置式凸轮轴的轴向定位通常采用止推板式限位装置如图5-14b所示。

在凸轮轴前轴颈与正时齿轮之间，压装有调节环4，调节环外面松套一止推板5，止推板用螺钉固定于气缸体前端面，调节环4的厚度大于止推板5的厚度，二者之差称为凸轮轴的轴向间隙，其间隙约为0.08mm～0.20mm（图中为某机型的值）。

这种装置使止推板既能限制凸轮轴的轴向窜动，又使凸轮轴能自由转动。

但轴向间隙过大时，除一般限位效能降低外，对于斜齿轮传动的凸轮轴来说还会由于轴移量过大，使轴产生角移动，而影响配气正时的正确性。

图5-14凸轮轴轴向定位方式

1-凸轮轴；

2-凸轮轴承盖；

3-凸轮轴正时齿轮；

4-螺母；

5-调整环；

6-止推板；

7-正时齿轮盖；

8-螺栓；

9-止推螺钉

二、气门挺柱

挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆或气门，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。

气门顶置式配气机构的挺柱一般制成筒式（图5-15a），以减轻质量。

图5-15b所示为滚轮式挺柱，其优点是可以减小摩擦所造成的对挺柱的侧向力。

这种挺柱结构复杂，重量较大。

一般多用于大缸径柴油机上。

挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造。

其摩擦表面应经热处理后精磨。

有的发动机的挺柱直接装在气缸体上相应处镗出的导向孔中，也有的发动机的挺柱装在可拆式的挺柱导向体中。

CA6102型发动机装配有挺柱导向体，前后挺柱导向体按各自的记号装于发动机上，每个挺柱导向体上有两个定位环3，以保证安装精度，然后用两个螺栓4均匀地拧紧在气缸体上，如图5-16所示。

在挺柱工作时，由于受凸轮侧向推力的作用，会稍有倾斜，并且由