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汽车发动机构造--配气机构山东大学能源与动力工程学院张强第二章曲柄连杆机构本章的主要教学内容：1.配气机构的功用及组成2.配气机构及气门间隙3.气门组4.气门传动组2-1.配气机构的功用及组成（1）功用配气机构的功用是按照发动机的工作循序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出；另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封。新气：汽油与空气的混合物（汽油机）；纯净的空气（柴油机）。四冲程发动机都采用气门式配气机构。（2）进气量对发动机性能的影响进入缸内的新气数量（进气量）对发动机的性能影响很大，进气量越多，发动机的有效功率和转矩越大。（3）要求①进气充分，进气量尽可能多；②废气要排除干净，因为残余废气影响进气量。③运动件具有较小的质量和较大的刚度，以保证配气机构良好的动力特性。2-1.配气机构的功用及组成（4）组成气门式配气机构：气门组和气门传动组两部分组成；凸轮轴位置：下置式、中置式、上置式。气门驱动形式：摇臂驱动、摆臂驱动、直接驱动。现代汽车发动机均采用顶置气门机构。2-1.配气机构的功用及组成气门组气门传动组（5）凸轮下置式配气机构定义：凸轮轴置于曲轴箱内的配气机构，称为凸轮轴下置式配气机构。下置凸轮轴曲轴定时齿轮驱动。发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴。传动比：曲轴与凸轮轴的为2：1。优点：凸轮轴离曲轴近，可以简单地用一对齿轮传动。缺点：零件多，传动链长，整个机构的刚度差，高速运动时影响气门的运动规律和气门的定时开启（气门关闭的准确性）。因此它不适用于高速发动机2-1.配气机构的功用及组成（6）凸轮中置式配气机构定义：凸轮轴置于机体上部的配气机构，称为凸轮轴中置式配气机构。特点：与凸轮轴下置式配气机构相比，减少了推杆，减轻了配气机构的往复运动质量，增大了机构的刚度，更适合于较高转速的发动机。2-1.配气机构的功用及组成2-1.配气机构的功用及组成（7）凸轮上置式配气机构定义：凸轮轴置于气缸盖上的配气机构，称为凸轮轴上置式配气机构。优点：运动件少，传动链短，整个机构的刚度大，适合于高速发动机。缺点：凸轮轴与曲轴距离长，动力传动机构复杂。（8）凸轮上置式配气机构结构形式①摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构；②摆臂驱动、凸轮轴上置式配气机构；③直接驱动、凸轮轴上置式配气机构。2-2.配气定时及气门间隙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称为配气定时。（1）进气提前角进气门在进气行程上止点之前开启称为早开。从进气门开到上止点曲轴所转过的角度ɑ称为进气提前角。目的：进气开始时，进气门有较大的开度或较大的进气流通截面，减小进气阻力。（2）进气迟后角进气门在进气行程下止点之后关闭称为晚关。从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度ß称为进气迟后角。目的：利用气流惯性，在进气迟后角内继续进气，增加进气量。（3）进气持续角：180+ɑ+ß。2-2.配气定时及气门间隙（4）排气提前角排气门在作功行程结束之前，即在作功行程下止点之前开启，称为排气门早开。从排气门开启到下止点曲轴转过的角度称为排气提前角。目的：排气门开启时气缸内压力较高，废气高速自由排出，减小排气阻力和排气消耗的功率。（5）排气迟后角排气门在排气行程结束之后，即在排气行程上止点之后关闭，称为排气门晚关。从上止点到排气门关闭转过的角度称为排气排气迟后角。目的：利用废气惯性，在排气迟后角内继续排气，减少残余废气。（6）排气持续角：2-2.配气定时及气门间隙（7）气门重叠角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，致使活塞在上止点附近出现一段时间内排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重置角。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，就不会有废气倒流人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。2-2.配气定时及气门间隙2-2.配气定时及气门间隙2气门间隙（1）含义在冷态下气门完全关闭时，气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。（2）作用给热膨胀留有余地。（3）气门间隙大小由生产厂通过试验确定。过小：受热时，可能发生气门关闭不严过大：传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击气门开启的持续时间减少。一般，进气门间隙﹤排气门间隙2-3.气门组（1）组成：1）气门；2）气门座；3）气门导管；4）气门弹簧5）锁片、卡簧；6）气门旋转机构（2）要求：为保证气门能够实现气缸的密封，要求：①气门头部与气门座贴合严密；②气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向；③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；④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，保证气门紧压在气门座上。2-3.气门组1气门（1）工作条件：高温、高压、冲击、润滑困难、腐蚀（2）材料：要求:耐热，良好的导热性；足够的强度、刚度，耐冲击；耐磨，耐腐蚀。进气门：普通合金钢（如铬钢或镍铬钢）排气门：耐热合金钢（如硅铬钢）（3）气门构造：由头部和杆部组成。2-3.气门组a）气门头部①头部形状：平顶、凹顶和凸顶②工艺性、特点、适用范围形状制造受热面积刚性进气阻力适用范围平顶容易小差大均可凹顶困难大最好最小进气门凸顶困难大好小排气门③气门锥角指气门密封锥面的锥角，气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角。一般做成45°（有的进气门采用30°的气门锥角）。锥角小，气门通过端面大，阻力小，增加进气量，刚度差，易变形。锥度大，刚度大，接触力大，有利于定位、传热并清理积碳。为保证气门头与气门座之间的良好配合，装配前应将气门头与气门座二者的密封锥面互相研密。研磨好的零件不能互换。④气门头部的散热途径：直接通过气门座；通过气门杆，经气门导管传给气缸盖。改善措施：加强气门座孔区域的冷却；气门头与气门杆圆滑过渡；加大气门杆直径；加强气门导管的冷却；气门杆与气门导管之间的间隙尽可能小。2-3.气门组b）气门杆呈圆柱形，在气门导管中不断进行往复运动。其表面须经过热处理和磨光，以保证与气门导管的配合精度和耐磨性。杆端的形状取决于气门弹簧的固定方式。2-3.气门组（4）气门数一般发动机都采用每缸两个气门，即一进一排。为了进一步改善气缸的换气:①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。因为进气门直径对发动机性能的影响更明显。②采用每缸3气门、4气门、甚至5气门的结构，即采用2—3个进气门和1或2个排气门。目的：增大流通面积，每个气门的质量轻，运动惯性小，有利于提高发动机转速。缺点：制造成本增加。2-3.气门组三气门四气门二气门五气门2-3.气门组2气门座与气门座圈气缸盖上与气门椎面相贴合的部位称为气门座（1）功用：气门座与气门头部密封锥面配合，起到两个作用：密封气缸、对气门头部导热。（2）结构型式：在气缸盖直接镗出；镶嵌式结构。（3）气门锥角一般比气门座或气门座圈的锥角小0.5-1度。增加接触压力，加速磨合，清除积碳，密封良好。2-3.气门组3气门导管气缸盖上与气门椎面相贴合的部位称为气门座1）功用：a）导向，保证气门作直线往复运动b）导热（2）工作条件：a）工作温度较高b）润滑不良（3）材料：灰铸铁、球铁或铁基粉末冶金（4）结构：为圆柱形，导管内、外表面经加工后压入气缸盖的气门导管孔中，然后再精铰内孔。2-3.气门组4气门弹簧（1）功用：保证气门回位、密封可靠（2）结构:多为圆柱形螺旋弹簧。气门上一般装有一个或两个气门弹簧。装一个弹簧时，采用不等距的螺距，以防共振。装二个气门弹簧时，它们同心地安装在气门导管的外面，两个弹簧直径不同，并且一个左旋，一个右旋，旋向相反，这样可以提高气门弹簧工作可靠性，防止共振，而且当一根弹簧折断时，另一根弹簧还可以维持工作。也不会使折断的弹簧卡入另一个弹簧圈入。5气门旋转机构（1）功用:a）使气门头部温度均匀b）清除气门座内积碳（2）结构:自由旋转机构发动机运转振动→气门有可能自由地作不规则运动。强制旋转机构气门每开一次便转过一定角度。2-3.气门组2-4.气门传动组2-4.气门传动组1凸轮轴（1）功用：控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。凸轮的形状→影响气门的开闭时刻及高度凸轮的排列→影响气门的工作顺序（根据凸轮轴可以判断工作顺序）(2)工作条件：工作中，凸轮轴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，凸轮轴要有足够的韧性和刚度。（3）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。2-4.气门传动组（4）凸轮轴构造：排气凸轮、进气凸轮、凸轮轴轴径，等。每个1-2个气缸设置一个凸轮轴轴径，目的提高刚度。自由端2-4.气门传动组（5）凸轮轮廓：形状决定了气门的升程及其升降过程的运动规律。凸轮转过A点后挺柱开始上移。至B点，气门间隙消除，气门开始开启，凸轮转到C点，气门开度达到最大，而后逐渐关小，至D点，气门闭合终了。此后，挺柱继续下落，出现气门间隙，至E点挺柱又处于最低位置。2-4.气门传动组（6）同名凸轮的相对角位置：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、排气凸轮的相对角位置符合发动机各缸的点火次序和点火间隔时间的要求。因此，根据凸轮轴的旋转方向以及各缸进、排气凸轮的工作顺序，就可以判定发动机的点火次序。2-4.气门传动组（7）凸轮传动机构：传动机构：齿轮式、链条式、齿形带式；齿轮传动机构用于下置和中置式凸轮轴的传动；链传动机构用于中置式和上置式凸轮轴的传动；齿形带传动机构用于上置式凸轮轴的传动；优点：噪声小、质量轻、成本低、工作可靠，不需要润滑油。2-4.气门传动组（7）凸轮轴的轴向定位：目的：限制凸轮轴的轴向移动，承受螺旋齿轮传动产生的轴向力。定位方式：上置式凸轮轴，凸轮轴轴承盖的端面或凸轮轴轴径两侧的凸肩定位；中下置式凸轮轴，止推板定位；止推螺钉定位。2-4.气门传动组2挺拄（1）功用：将凸轮的运动和作用力传给推杆或气门，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。（2）材料：低碳钢、镍铬合金铸铁等（3）机械挺拄：a）结构形式杯形，听子形，菌形，吊杯形，滚子挺柱。b）减磨措施挺柱轴线偏离凸轮的对称轴线1-3mm；挺柱为球面，凸轮工作面为锥面；挺柱底面镶耐磨金属块；挺柱侧表面制成桶形。（4）液力挺拄：目的：消除由于配气机构中预留间隙使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。实现零气门间隙。2-4.气门传动组3推杆（1）功用：将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂（2）工作条件：它是气门机构中最易弯曲的零件，要求有很高的刚度，而且重量轻。（3）结构：实心或空心两端要耐磨2-4.气门传动组4摇臂（1）功用：将推杆传来的推力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。（2）要求：要有很高的刚度（3）材料：钢（模锻压而成）、球铁（4）结构：两臂长短不等（摇臂比）气门间隙调整螺钉滑润油孔