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1、汽车构造汽车构造汽车构造汽车构造电子教案电子教案电子教案电子教案第三章第三章 配气机构配气机构第三章第三章 配气机构配气机构概述概述气门式配气机构的布置及传动气门式配气机构的布置及传动配气相位配气相位配气机构的零件和组件配气机构的零件和组件 配配气气机机构构的的功功用用是是按按照照发发动动机机每每一一气气缸缸所所进进行行的的工工作作循循环环和和发发火火次次序序的的要要求求，定定时时开开启启和和关关闭闭进进、排排气气门门，使使新新鲜鲜可可燃燃混混合合气气（汽汽油油机机）或或空空气气（柴柴油油机机）得得以以及及时时进进入入气气缸缸，废废气气得得以以及及时时从从气气缸缸排排出出。新新鲜鲜空空气气或或
2、可可燃燃混混合合气气被被吸吸进进气气缸缸越越多多，则则发发动动机机可可能能发发出出的的功功率率越越大大。新新鲜鲜空空气气或或可可燃燃混混合合气气充充满满气气缸缸的的程程度度，用用充充量量系系数数来表示。来表示。1/8/20232充量系数 所谓充量系数就是在进气过程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比，即 式中，为进气过程中，实际充入气缸的新气的质量；为进气状态下充满气缸工作容积的新气质量。充量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，可燃混合气燃烧时所放出的热量越大，所以发动机发出的功率越大。充量系数总是小于1，
3、一般为0.800.90。影响发动机充量系数的因素很多，故提高充量系数可以从多方面入手。就配气机构而言，主要是要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启时间比较适当，使吸气和排气都尽可能充分。1/8/20233第一节 气门式配气结构的布置及传动 气门式配气机构由气门组和气门传动组零件组成。配气机构可以从不同角度分类：按按气气门门的的布布置置形形式式，主要有气门顶置式和气门侧置式；按按凸凸轮轮轴轴的的布布置置位位置置，可分为凸轮轴下置式，凸轮轴中置式和凸轮轴上置式；按按曲曲轴轴和和凸凸轮轮轴轴的的传传动动方方式式，可分为齿轮传动式、链传动式和带传动式。按按每每气气缸缸
4、气气门门数数目目，有二气门式、四气门和五气门等多气门式。1/8/20234气门的布置形式1.1.气气门门顶顶置置式式配配气机构气机构 进气门和排气门都倒挂在气缸上。现代汽车发动机均采用气门顶置式配气机构。2.2.气门侧置式配气门侧置式配气机构气机构 气门侧置式配气机构的进气门和排气门都装置在气缸体的一侧，目前已被淘汰。1/8/20235 在图示的气门顶置式配气机构中，气门组包括气门3，气门导管2、气门主、副弹簧4和5、气门弹簧座6、锁片7等；气门传动组则由摇臂轴9、摇臂10、推杆13、挺柱14、凸轮轴15和定时齿轮组成。工作过程气门顶置式配气机构1/8/20236凸凸轮轮轴轴下下置置和和中中置
5、置的的配配气气机机构构1/8/20237凸轮轴上置式配气机构凸轮轴上置式配气机构1/8/20238上置双凸轮轴布置 上置双凸轮轴布置适用于多气门式发动机，特点是使用两个凸轮轴分别驱动进气门和排气门。双凸轮轴结构有利于布置更多的气门，气门数多，能提高发动机的进、排气效率，可以进一步提高压缩比，提高发动机的转速。这种双凸轮轴多气门的配气机构，是高速现代汽车发动机配气机构的主要形式。图示为上置双凸轮轴直接驱动5气门的配气机构。1/8/20239上置双凸轮轴布置1/8/202310凸轮轴的传动方式齿轮传动齿轮传动链传动链传动带传动带传动1/8/202311齿轮传动 凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆
6、柱形定时齿轮传动。一般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时可加装中间齿轮。为了啮合平稳、减小噪声，定时齿轮多用斜齿轮。在中、小功率发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮轴定时齿轮则用铸铁或夹布胶木制造，以减小噪声。链传动 链条与链轮的传动特别适用于凸轮轴上置的配气机构。为使链条在工作是具有一定的张力而不致脱链，装有导链板14，上、下链条张紧轮2、11等。为了使链条调整方便，有的发动机使用一根链条传动。链传动的主要问题是其工作可靠性不如齿轮传动。其传动性能在很大程度上取决于链条的制造质量。1/8/2023121/8/202313带传动 近年来，在高速汽车发动机上还广泛的采用传动带来代
7、替传动链，图3-7所示为一汽-大众奥迪100型轿车用的齿形带传动。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。采用齿形带传动，对于减少噪声、减少结构质量和降低成本都有很大好处。1/8/202314每缸气门数及其排列方式一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。在很多新型汽车发动机上多采用每缸4气门、甚至5气门的结构，即23个进气门和2个排气门。采用多气门发动机的好处是什么呢？答：为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度
8、较高时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量。采用多气门的结构形式后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门的直径可适当减小，使其工作温度适当降低，提高了工作可靠性。此外，采用多气门后还可适当减小气门升程，改善配气机构的的动力性，多气门的汽油机还有利于改善HC和CO的排放性能。1/8/202315每缸两个气门时的排列方式 当每气缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名各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。柴油机的进、排气道
9、一般分置于机体的两侧，以免排气对进气加热。老式汽油机的进、排气道通常置于机体的同一侧，以便进气受到排气的预热。每缸四个气门时的排列方式当每缸采用四个气门时，气门排列的方案有两种：同名气门排成两列，由一个为凸轮通过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。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。同名气门在同一列，则没有上述缺点，但一般用两根凸轮轴。1/8/2023161/8/202317气门间隙 发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷却时无间隙或间隙过小，则在热态下，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
10、压缩行程和作功行程中的漏气，从而使功率下降，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一定的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一间隙称为气门间隙。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。一汽488Q发动机上设有气门间隙调节器，在安装时要保证摇臂凸耳与气门弹簧座之间的间隙大于1.25mm.气门间隙的大小一般有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0.25-0.3mm，排气门的间隙为0.3-0.35mm。如果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降甚至气门烧坏。如果气门间隙过大
11、，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击响声，而且加速磨损，同时也会使得气门开启的持续时间减少，气缸的充气及排气情况变坏。1/8/202318配气相位 配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对与上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示。这种图形称为配气相位图。1/8/202319（续）理论上四冲程发动机的进气门当曲拐处在上止点时开启，在曲拐转到下止点时关闭；排气门则当曲拐在下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占180曲轴转角。但实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一个行程都很短，这样短时间的进气或排气过程，往往会使发动机充气不足或排气不净，从而使发动机的的功率下降。
12、因此，现代发动机都采用延长进、排气因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和关闭时刻并不时间的方法，即气门的开启和关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善是分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。进、排气状况，从而提高发动机的动力性。更进一步更进一步1/8/202320 气门重叠气门重叠 由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气气门门重重叠叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角气门重
13、叠角。由于新鲜气流和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会改变流向的，因此只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气管和新鲜气体随同废气排除的可能性。这对换气是有利的，但应注意，如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转、进气管内压力很低时，就可能出现废气倒流，使进气量减少。重要重要1/8/202321配气机构的零件和组件气门组气门组1.气门2.气门导管3.气门座4.气门弹簧气门传动组气门传动组1.凸轮轴2.挺柱3.推杆4.摇臂1/8/202322气门组气门组 气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。有的进气门还设有气门旋转机构。气门组应保证气门能够实现气缸的密封，因此要求：气门头
14、部与气门座贴合严密；气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向；气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜；气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能及时关闭，并保证气门紧压在气门座上。1/8/202323气门头部杆部 头部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用合金钢（如铬钢或镍铬钢等），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。为了节省耐热合金钢，有的发动机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。1/8
15、/202324气门头部的结构形式1/8/202325气门组1/8/202326气门座 气门座可在气缸盖上直接镗出。它与气门头部共同对气缸起密封作用，并接受气门传来的热量。气门座在高温下工作，磨损严重，故有不少发动机的气门座用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作，然后镶嵌到气缸盖上。1/8/202327气门弹簧v气门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力，防止各传动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座并紧紧贴合，防止气门发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧应有足够的刚度和安装预紧力。1/8/202328气门旋转机构v 气门旋转机构的实例见图3-15。1/8/20
16、2329 有的发动机采用3-15b所示的强制旋转机构，使气门每开一次便转过一定角度。1/8/202330气门传动组气门传动组包括凸轮轴、定时齿轮、挺柱，推杆、摇臂、摇臂轴等。气门传动组的作用是使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，且保证有足够的开度。1/8/202331凸轮轴 凸轮轴（图3-16）上主要配置由各缸进、排气凸轮1，用以使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐磨，对凸轮要求有足够的韧性和刚度。发动机工作时，凸轮轴的变形会影响配气相位，因此有的发动机凸轮轴采用全支承以减小其变形，如图3-23a所示
17、的发动机的凸轮轴有五个轴颈2。但是，支承数多，加工工艺较复杂，所以一般发动机的凸轮轴是每隔两个气缸设置一个轴颈1，如图3-24所示。为安装方便，凸轮轴的各轴颈直径是做成从前向后依次减小的。凸轮轴的材料一般用优质钢模锻而成，也可采用合金铸铁或球墨铸铁铸造。凸轮各轴颈的工作表面一般进热处理后精磨，以改善其耐磨性。1/8/202332判定发动机的发火次序1/8/202333凸轮轴的驱动汽油机的凸轮轴布置在曲轴箱上方时，凸轮轴上还具有用以驱动机油泵及分电器的齿轮和驱动汽油泵的偏心轮。凸轮轴通常有曲轴通过一对定时齿轮驱动，小齿轮和大齿轮分别用键装在曲轴与凸轮轴的前端，其传动比为2:1。在装配曲轴与凸轮轴
18、时，必须将定时齿轮记号对准，以保证正确的配气相位和发火时刻。1/8/202334凸轮轴的驱动1/8/202335凸轮轴1/8/202336挺柱 挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。挺柱在其顶部装有调节螺钉，用来调节气门间隙。气门顶置式配气机构的挺柱一般制成筒式（图3-27b），以减轻重量。图3-27c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研磨。热膨胀造成的气门关闭不严的问题用预留气门间隙的方法来解决；但由于气门间
19、隙的存在，配气机构在工作时将产生冲击而发出响声。为了解决这一矛盾，有的发动机上采用了液压挺柱。1/8/2023371/8/202338液压挺柱1/8/202339 推 杆的 作用是将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂，它是气门机构中最易弯曲的零件，要求有很高的刚度。在动载荷大的发动机中，推杆应尽量做的短些。对于缸体和缸盖都是铝合金制造的发动机，其推杆最好用硬铝制造。推杆可以是实心或空心的。钢制实心推杆一般是同球形支座锻成一个整体，然后进行热处理。硬铝棒制成的推杆，推杆两端配以钢制的支承。钢管制成的推杆，前者的球头是直接锻成的，然后经过精磨加工；后者的球支承则是压配的，并进淬火和磨光，以保证其耐
20、磨性。1/8/202340摇臂 摇臂实际上是一个双臂杠杆（图3-1、图3-31、图3-32），用来将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。图3-31中摇臂1或9的两边臂长的比值（称为摇臂比）约为1.2-1.8，其中长臂一端是推动气门的。端头的工作表面一般制成圆柱形，当摇臂摆动时可沿气门杆端面滚滑，这样可以是两者之间的力尽可能沿气门轴线作用。摇臂内还钻有润滑油道和油孔。在摇臂的短臂端螺纹孔中旋入用以调节气门间隙的调节螺钉10，螺钉的球头与推杆的凹球座相接触。1/8/202341图图3-32a3-32a所所示示摇摇臂臂由由4545钢钢冲冲压压而而成成，图图3-32b3-32b所所示示摇摇臂臂是是用用铸铸铁铁或或铸铸钢钢精精铸铸而成，它与液压挺柱联合使用，所以摇臂上不用气门间隙调整螺钉。而成，它与液压挺柱联合使用，所以摇臂上不用气门间隙调整螺钉。1/8/2023421/8/202343